發(fā)布時間：2020-07-24 02:09

【摘要】：質子交換膜燃料電池具有比功率高,能量循環(huán)效率高,工作溫度低,啟動快,環(huán)境友好等優(yōu)點,是目前最有希望應用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動自行車等的動力電源。質子交換膜(PEM)是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心組件,直接影響電池的性能、能量轉化效率及電池的使用壽命等。美國杜邦公司生產的Nafion膜是已工業(yè)化質子交換膜的典型代表。雖然Nafion膜具有高的質子電導率和較好的化學穩(wěn)定性,但由于其耐高溫性能差及成本昂貴等不足,制約了Nafion膜在質子交換膜燃料電池中的應用。為滿足發(fā)展需要,科研工作者近年來做了大量的研究工作開發(fā)新型質子交換膜。其中,磺化聚苯并咪唑(s-PBI)是一類新型的質子交換膜,具有優(yōu)異的熱性能、力學性能、化學穩(wěn)定性和良好的質子電導率。傳統(tǒng)的s-PBI質子膜是由磺化單體通過共縮聚反應來制備,隨著磺化單體的含量的提高,則難以獲得高分子量的PBI聚合物。結果,影響了s-PBI的熱穩(wěn)定性、力學性能、溶解性和導電率。本文采用兩步法:先合成PBI聚合物,再將含有磺酸基團的疊氮化合物與PBI進行接枝反應來制備s-PBI質子膜。對s-PBI質子膜進行了結構和性能表征,探討了磺化官能團含量對PBI質子膜性能的影響。論文主要分為以下幾個部分:(1)以4,4-二羧基二苯醚(OBBA)與3,3',4,4'-聯(lián)苯四胺(DAB)為單體,多聚磷酸(PPA)為溶劑,通過高溫溶液共縮聚制備了可溶性的聚苯并咪唑,采用溶劑流延法制備了PBI膜。與此同時,以氨基苯磺酸和氨基萘磺酸為原料合成了疊氮苯磺酸和疊氮萘磺酸化合物。通過核磁和紅外表征,制備的PBI聚合物、疊氮苯磺酸和疊氮萘磺酸具有預期的結構。(2)通過PBI與疊氮苯磺酸或疊氮萘磺酸的固相反應,制備了磺化聚苯并咪唑(s-PBI)。通過改變疊氮磺酸的含量,制備了一系列s-PBI質子膜。較系統(tǒng)地考查了磺化度對PBI質子膜的電導率的影響,研究表明:隨著磺酸基團含量的增加,膜的質子電導率呈現增長趨勢;當疊氮苯磺酸側基含量為40 wt%時,s-PBI的導電率為4.382×10-3 S/cm,膜仍然具有良好的力學強度和耐熱性能(39.72MPa,斷裂伸長率為96%,T10%=360℃);而以疊氮萘磺酸為側基的s-PBI質子膜,其含量為40 wt%時,電導率為6.593×10-3 S/cm,復合膜仍具有良好的力學強度(41.21 MPa)和熱穩(wěn)定性能(T10%=320℃)。(3)聚苯胺(PANI)具有良好的導電性能,因此PANI的加入也可提高PBI復合膜的質子電導率。通過物理共混法,將PBI與聚苯胺(PANI)均勻混合,同時加入疊氮苯磺酸進行固相接枝反應,制備s-PBI/PANI復合質子膜。分別探索了不同含量PANI分別對PBI/PANI復合膜與s-PBI/PANI復合膜質子電導率的影響。結果表明,共混40 wt%PANI的PBI/PANI復合膜具有最高的質子電導率,其質子電導率高達6.036×10-3 S/cm,力學性能與耐熱性能均保持良好(32.02MPa,斷裂伸長率為49%,T10%=460℃)同時,加入20 wt%PANI與10 wt%疊氮苯磺酸的s-PBI/PANI復合膜的電導率可達5.677×10-3 S/cm。
【學位授予單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2;TM911.4

【參考文獻】

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本文編號：2768158