本文選題：質子交換膜 + 質子導電通道�。� 參考：《天津大學》2015年博士論文

【摘要】：質子交換膜燃料電池(PEMFC)憑借其高能量轉化率、高功率密度、環(huán)境友好、室溫下啟動快等優(yōu)點,在便攜電器、分布式電站和電動汽車等方面具有廣闊的應用前景。質子交換膜(PEMs)是PEMFC重要的核心部件,膜的電導率對電池性能有重要的影響。PEMs由疏水的骨架和親水的離子簇構成,離子簇形成質子導電的通道。本研究試圖通過調節(jié)膜內(nèi)的微觀結構在膜內(nèi)構建寬暢、直通的質子通道,從而提高膜的電導率。為提高磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜性能,我們首次將小分子凝膠模板劑3,4-二甲基苯甲醛(DMBA)引入SPEEK鑄膜液內(nèi)鑄膜。借助DMBA在鑄膜液中發(fā)生聚集形成疏水模板,促使SPEEK的主鏈骨架規(guī)整有序排列,并且DMBA的極性醛基誘導SPEEK磺酸基團在膜內(nèi)聚集。實驗結果顯示,鑄膜液中引入DMBA使膜內(nèi)離子簇增大、抗溶脹性和抗拉強度顯著提高。這為SPEEK膜高磺化度下過度溶脹、低磺化度下電導率不足的難題提供了解決途徑。為提高磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜電導率性能,我們首次采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和碳酸二乙酯(DEC)的雙溶劑鑄膜液澆鑄SPEEK膜。低極性的非溶劑DEC誘導SPEEK發(fā)生自組裝,形成較大的聚合物團聚體。雙溶劑澆鑄的SPEEK膜電導率和吸水率明顯提高。在垂直膜面方向對雙溶劑鑄膜液施加不同類型的電場,制備了具有定向結構的SPEEK膜。在頻率f=1Hz,交流場強3500 V·cm-1時,制備的SPEEK定向膜具有最高的電導率。相比直流電場定向制膜,交流電場定向制膜可以更為顯著地改善膜的性能,這歸因于交流電場下消除了電泳的影響。為提高全氟磺酸Nafion膜電導率,我們首次將低極性的非溶劑對二甲苯(PX)引入到Nafion/DMF鑄膜液體系中鑄膜。低極性的非溶劑PX誘導Nafion發(fā)生自組裝,形成不透明的鑄膜液。實驗結果顯示,采用雙溶劑鑄膜液制備的Nafion膜具有較大的離子團簇,并且電導率和吸水率均有提高。通過對雙溶劑鑄膜液施加垂直膜面方向的交流電場,制備了具有定向結構的Nafion膜。在頻率f=1Hz、交流場強4000 V·cm-1時,制備的Nafion定向膜具有最高的電導率。電場定向膜的電導率和機械性能隨著電場強度增加而提高。
[Abstract]:Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has wide application prospects in portable appliances, distributed power plants and electric vehicles due to its advantages of high energy conversion, high power density, environmental friendliness and fast start at room temperature. Proton exchange membrane (PEMs) is an important core component of PEMFC. The conductivity of PEMFC has an important effect on the performance of the cell. PEMs are composed of hydrophobic framework and hydrophilic ion clusters, which form the channel of proton conduction. In this study, we try to improve the conductivity of the membrane by adjusting the microstructure of the membrane to construct a wide and straight proton channel in the membrane. In order to improve the performance of sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) membrane, we first introduced the small molecular gel template 3O4-dimethylbenzaldehyde (DMBA) into the casting solution of SPEEK film. The hydrophobic template was formed by the aggregation of DMBA in the casting solution, which promoted the ordered arrangement of main chain skeleton of Speek, and the polar aldehyde group of DMBA induced the aggregation of SPEEK sulfonic group in the membrane. The experimental results show that the introduction of DMBA into the casting solution increases the ion cluster and the swelling resistance and tensile strength. This provides a solution to the problem of excessive swelling at high sulfonation degree and insufficient conductivity at low sulfonation degree. In order to improve the electrical conductivity of sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) membrane, we first used N- (N-dimethylformamide) (DMF) and diethyl carbonate (DEC) as casting solution to cast Speek film. Low polarity non-solvent DEC induces self-assembly of Speek to form larger polymer aggregates. The conductivity and water absorption of Speek film cast by double solvent casting were improved obviously. Speek films with directional structure were prepared by applying different types of electric field to the double solvent casting solution perpendicular to the surface of the film. The SPEEK film has the highest conductivity when the frequency is 1 Hz and the AC field is 3500 V cm-1. Compared with direct-current field-oriented films, AC field-oriented films can significantly improve the performance of the films, which is due to the elimination of electrophoretic effects under AC field. In order to improve the conductivity of perfluorosulfonic acid Nafion membrane, we introduced the low-polarity non-solvent p-xylene PX into Nafion / DMF casting solution for the first time. Low polarity non-solvent PX induces self-assembly of Nafion to form opaque casting solution. The experimental results show that the Nafion membrane prepared by double solvent casting solution has a large ionic cluster, and the conductivity and water absorption of Nafion membrane are improved. Nafion membrane with directional structure was prepared by applying an alternating electric field perpendicular to the surface of the film. The Nafion directional film has the highest conductivity when the frequency is 1 Hz and the AC field is 4000 V cm-1. The electrical conductivity and mechanical properties of the electric field oriented film increase with the increase of electric field strength.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.4

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本文編號：2017389