本文關鍵詞： 燃料電池 質(zhì)子交換膜 磺化聚酰亞胺 化學穩(wěn)定性　出處：《深圳大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?是一種高效清潔的能源裝置,被認為是具有革命意義的新一代能源動力系統(tǒng)。PEMFC的核心部件是質(zhì)子交換膜(PEM),其各項性能將直接影響燃料電池的總體性能,開發(fā)低成本、高性能的質(zhì)子交換膜對PEMFC的發(fā)展和廣泛應用具有重要意義�；腔埘啺�(SPIs)憑借其卓越的熱穩(wěn)定性、機械性能和燃料阻隔率,成為一種非常有發(fā)展前景的質(zhì)子交換膜材料。然而,酰亞胺環(huán)的化學穩(wěn)定性在燃料電池運行環(huán)境中并不理想,提升磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜的化學穩(wěn)定性是該研究領域的熱點。近年來,多種增強SPI化學穩(wěn)定性的方法被報導,如改變化學結構、將膜進行交聯(lián),但這些方法在實際應用時仍存在一些問題,需進一步的改進。在本課題組近期的研究中發(fā)現(xiàn),高支化結構可以有效的提升磺化聚合物質(zhì)子交換膜的化學穩(wěn)定性,而且可以在一定程度上增加膜材料的電導率。本論文在課題組近期研究成果的指導下,針對磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜發(fā)展中存在的問題,制備了多種磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜,并對它們的各項性能進行了研究,具體研究內(nèi)容與結果如下:1)以商業(yè)化的單體為原料,制備了四類不同結構、不同支化度的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜,研究了非磺化二氨單體和支化結構對質(zhì)子交換膜的各項性能的影響。結果表明,支化結構的引入可以增強膜的氧化穩(wěn)定,增強程度與聚酰亞胺本身的化學結構有關;在剛性較強的主鏈結構中,引入支化結構對膜的電導率有明顯提升;但支化結構的引入對膜的機械性能是不利的。2)針對支化磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜機械性能下降的問題,本論文又設計制備出含支化結構的交聯(lián)磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜。通過在主鏈引入高支化結構可以彌補交聯(lián)型磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜電學性能差的問題,并進一步增強膜的化學穩(wěn)定性,還同時使膜材料具備優(yōu)秀的機械性能。更重要的是,在電池測試中,這種膜材料展示出優(yōu)異的功率密度,其功率密度最高值比直接交聯(lián)型膜提高了24%。本工作將為制備高電學性能交聯(lián)型質(zhì)子交換膜材料提出一種新的思路。3)交聯(lián)型磺化聚酰亞胺不能溶解,給成型加工造成困難,針對這一問題,本論文又設計并合成了一種側鏈含有甲氧基硅烷的磺化聚酰亞胺,制備成薄膜后,膜可溶解并可多次溶解并重復制備薄膜;并最終在酸化時同時發(fā)生交聯(lián)反應。結果表明,使用這種方式制備的薄膜,其化學穩(wěn)定性大幅提高且電導率下降較低,同時其甲醇阻隔率也有明顯提升。在直接甲醇燃料電池測試中,用這種方法制備的薄膜功率密度僅少量下降,且遠高于商業(yè)化Nafion 212膜。
[Abstract]:Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) can directly convert the chemical energy of fuel into electric energy. It is an efficient and clean energy device. The core component of PEMFC, which is considered to be a new generation of energy power system with revolutionary significance, is the proton exchange membrane (PEMN). The performance of PEMFC will directly affect the overall performance of fuel cells and the development of low cost. High performance proton exchange membranes are of great significance for the development and wide application of PEMFC. Sulfonated polyimide (PEMFC) has excellent thermal stability, mechanical properties and fuel barrier rate. As a promising proton exchange membrane material, however, the chemical stability of imide ring is not ideal in the fuel cell environment. Improving the chemical stability of sulfonated polyimide proton exchange membranes is a hot topic in this field. In recent years, many methods to enhance the chemical stability of SPI have been reported, such as changing the chemical structure and cross-linking the membranes. However, there are still some problems in the practical application of these methods, which need to be further improved. In our recent research, it is found that the high branching structure can effectively improve the chemical stability of sulfonated polymer proton exchange membrane. Furthermore, the conductivity of membrane materials can be increased to some extent. Under the guidance of the recent research results of our research group, this paper aims at the problems existing in the development of sulfonated polyimide proton exchange membrane. A variety of sulfonated polyimide proton exchange membranes were prepared and their properties were studied. The specific contents and results are as follows: 1) four kinds of different structures were prepared using commercial monomers as raw materials. The effects of non-sulfonated diammonium monomers and branched structures on the properties of sulfonated polyimide proton exchange membranes with different branching degrees were studied. The addition of branched structure can enhance the oxidation stability of the film, and the enhancement degree is related to the chemical structure of the polyimide itself. In the rigid main chain structure, the conductivity of the membrane was improved obviously by introducing the branched structure. However, the introduction of branched structure is disadvantageous to the mechanical properties of membranes. 2) the mechanical properties of branched sulfonated polyimide proton exchange membranes are decreased. In this paper, crosslinked sulfonated polyimide proton exchange membranes with branched structure were designed and prepared. The introduction of high branching structure in the main chain can make up for the poor electrical performance of crosslinked sulfonated polyimide proton exchange membranes. And further enhance the chemical stability of the membrane, but also make the membrane material with excellent mechanical properties. More importantly, in the battery testing, this membrane material shows excellent power density. The maximum power density of the membrane is 24% higher than that of the direct crosslinking membrane. This work will provide a new idea for the preparation of high electrical properties crosslinked proton exchange membrane material. 3) the crosslinked sulfonated polyimide can not be dissolved. In order to solve this problem, a sulfonated polyimide containing methoxy silane in side chain was designed and synthesized. The film can be dissolved and repeatedly dissolved and repeatedly prepared. The results showed that the chemical stability of the films prepared by this method was greatly improved and the conductivity decreased. In the direct methanol fuel cell test, the power density of the film prepared by this method decreased only a little, and was much higher than that of the commercial Nafion 212 membrane.
【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM911.4;TB383.2

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本文編號：1470203