陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）憑借其電池性能好、成本低以及低滲透率的優(yōu)點引起了科學(xué)家廣泛的研究。而其關(guān)鍵部件陰離子交換膜的電導(dǎo)率不高、耐堿性差是目前阻礙其發(fā)展的兩個難題,目前主要嘗試采用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性的叔胺基團改善膜的電導(dǎo)率以及應(yīng)用無機組分形成物理包覆減少氫氧根攻擊提升膜的耐堿性。本文的研究目的是制備新型的硅氧烷交聯(lián)聚苯醚基陰離子交換膜并表征其綜合性能,具體內(nèi)容如下:（1）將聚苯醚溴化后與N-甲基二乙醇胺（MDEA）發(fā)生季銨化反應(yīng)并引入羥基,EHTMS與羥基發(fā)生開環(huán)反應(yīng)連接到聚苯醚側(cè)鏈上,利用溶膠-凝膠工藝制備不同EHTMS/MDEA的摩爾比的陰離子交換膜。FTIR結(jié)果證明制備過程中的化學(xué)反應(yīng)如期進行,MDEA和EHTMS成功的加入到體系中。SEM結(jié)果顯示膜的整體結(jié)構(gòu)致密均勻,無明顯的相分離現(xiàn)象,并且TG測試顯示膜在220℃下的熱穩(wěn)定性好。機械性能測試顯示適量交聯(lián)劑加入會增強膜的拉伸強度,最大達到18.73 MPa。膜的離子電導(dǎo)率會隨著硅氧烷含量的增多而減少,但交聯(lián)結(jié)構(gòu)的增多會增強膜的耐堿性,AEM-20膜在80℃下的離子電導(dǎo)率為17.6 mS/cm,在60℃下堿性溶液中浸泡一... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理示意圖

51.3.1堿性陰離子交換膜燃料電池的工作原理堿性燃料電池（AEMFC）在促進太空科技的發(fā)展中取得長足的發(fā)展，是一種以氫氣為燃料，以KOH或NaOH溶液為電解質(zhì)的能源轉(zhuǎn)換裝置。堿性燃料電池中電極上的氧化還原反應(yīng)更易發(fā)生，故而可不采用貴金屬作為電極[23]。AEMFC的工作原理如圖1-2所示，加入的氧化劑氧氣在陰極處發(fā)生還原反應(yīng)得到2個e-并生成OH-，得到的OH-會通過堿性陰離子交換膜到達陽極處，加入的氫燃料在陽極處發(fā)生氧化反應(yīng)失去2個e-生成H+，再與OH-反應(yīng)生成產(chǎn)物H2O。堿性陰離子交換膜會選擇性的只透過OH-，反應(yīng)中的電子則只能通過外電路傳輸，構(gòu)成的回路則產(chǎn)生電流[24]。反應(yīng)過程的反應(yīng)式如1-4，1-5，1-6所示。陽極：H2+2OH-=2H2O+2e-(1-4)陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-(1-5)總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O(1-6)圖1-2堿性燃料電池的工作原理1.3.2堿性陰離子交換膜燃料電池的優(yōu)缺點堿性陰離子交換膜燃料電池研究是上世紀60年代為了滿足美國宇航局的太空計劃的發(fā)展而掀起的熱潮[25]。研究時間短，無大規(guī)模的投入導(dǎo)致目前AEMFC的關(guān)鍵部件陰離子交換膜研究仍有一些不足，如（1）KOH電解質(zhì)會與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鉀影響膜的綜合性能[26]；（2）與PEMFC中H+的擴散系數(shù)相比，AEMFC中的OH-的傳導(dǎo)速率低，故而電導(dǎo)率低；（3）AEMFC的工作環(huán)境是高1.3堿性陰離子交換膜燃料電池

8增大為53%。當(dāng)溫度從30℃增加到80℃，QPPO-PAES-QPPO-0.76膜的電導(dǎo)率從54.2mS·cm1增加到113.2mS·cm1。將QPPO-PAES-QPPO-0.38在80℃下浸入1mol/L的NaOH溶液中10天后，膜在30℃下的電導(dǎo)率從32.1mS·cm-1降至15.7mS·cm-1。測試結(jié)果表明ABA三嵌段共聚物的相分離對于改善AEM的電導(dǎo)率起重要作用，膜具有良好的耐堿性是由于疏水的PAES的阻滯作用。圖1-3陰離子交換膜QPPO-PAES-QPPO結(jié)構(gòu)式Park等[38]以4,4"-二氟二苯砜（FPS），雙酚A（BPA），4,4"-（六氟異亞丙基）二酚（HFBPA）為原料，經(jīng)過氯甲基化，季銨化過程合成一種含季銨基團的多嵌段共聚（亞芳基醚砜）（QmPES）陰離子交換膜。盡管膜的吸水率低，但制備了具有相當(dāng)高導(dǎo)電率的季銨化陰離子膜，在60℃下為37.7mS/cm。膜中精確嵌段化學(xué)結(jié)構(gòu)可通過一維和二維核磁分析得到。膜中共聚物的原料比例相同時的嵌段共聚物（mPES-X6.7Y3.4）和無規(guī)共聚物（rPES-X0.67NY0.33N），雖然兩種膜具有相同的1.38meq/g的IEC值，但mPES的電導(dǎo)率由25℃的15.7mS/cm上升到60℃的37.7mS/cm，rPES的電導(dǎo)率由25℃的5.7mS/cm提升到60℃的13.6mS/cm，明顯QmPES膜的電導(dǎo)率更高。這是由于mPES-X6.7Y3.4的疏水/親水的嵌段使得相分離現(xiàn)象比rPES-X0.67NY0.33N更加的明顯，以此促進膜的離子傳導(dǎo)，提升膜的電導(dǎo)率。上述工作表明聚合物嵌段結(jié)構(gòu)在陰離子交換膜的性能中起重要作用。1.4.1.2側(cè)鏈型聚合物嵌段型AEM中通過調(diào)節(jié)親水/疏水片段的比例促進膜內(nèi)離子簇的生成和形成相分離以獲得優(yōu)異的性能。但是膜的離子通道往往較大以至于容易造成大量水分子的滲入導(dǎo)致膜的溶脹度增大甚至是膜降解，這會損失膜的尺寸穩(wěn)定性和機械性能[39]。Li等[40]通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)成功的合成了一種具有兩個側(cè)鏈芐基的新單體，通過

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]聚砜陰離子交換膜的制備及性能研究[D]. 呂喜風(fēng).東北大學(xué) 2012



本文編號：3328886