發(fā)布時間：2020-07-26 14:12

【摘要】：低溫質(zhì)子交換膜燃料電池在各類燃料電池中被應(yīng)用得最為廣泛,但工作溫度上限低和依賴貴金屬催化劑限制了其進一步發(fā)展。在這種情況下,以經(jīng)過磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜為電解質(zhì)的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池和以KOH水溶液為電解質(zhì)、不依賴貴金屬催化劑的堿性燃料電池得到了快速發(fā)展。聚苯并咪唑本身的質(zhì)子傳導(dǎo)能力很弱,用作高溫質(zhì)子交換膜時必須先進行無機酸摻雜,其中以摻雜磷酸最為普遍。經(jīng)過磷酸摻雜的聚苯并咪唑膜,質(zhì)子傳導(dǎo)能力嚴重依賴于其磷酸摻雜含量。因此,為了提高聚苯并咪唑/磷酸復(fù)合體系的質(zhì)子傳導(dǎo)能力,許多科研工作者選擇向聚苯并咪唑中添加本身能夠吸附磷酸的離子液體作為填料,這樣做確實能夠提高其磷酸吸附能力進而提高質(zhì)子傳導(dǎo)率,但由于與聚苯并咪唑之間并沒有共價鍵連接,在長期使用過程中離子液體會在水蒸氣的裹挾下不斷流失,降低燃料電池的電性能。為了解決這一問題,我們以1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽離子液體為填料,羥基聚苯并咪唑為基材,異氰酸丙基三乙氧基硅烷為交聯(lián)劑,采用先摻雜離子液體后水解交聯(lián)的方法,成功制備出一系列含有不同離子液體比例并帶有籠狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的復(fù)合高溫質(zhì)子交換膜cPBI-IL X。籠狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)中的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽能夠增加復(fù)合膜的磷酸吸收含量并且縮短膜內(nèi)質(zhì)子傳輸距離,從而提高了復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。在1 M H_3PO_4水溶液中形成的籠狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅能夠增強復(fù)合膜的機械性能,而且能夠有效阻止離子液體流失。在160℃的條件下,cPBI-IL 8膜具有最高的質(zhì)子傳導(dǎo)率,達到了133 mS cm~(-1)。在80℃、40%相對濕度的環(huán)境中靜置144小時后,cPBI-IL10膜的離子液體保存量為71.6 wt.%,而相同測試條件下體系中沒有籠狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的PBI-IL 10膜離子液體含量僅為2 wt.%,說明所制備的膜材料具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。對于陰離子交換膜來說,長期穩(wěn)定性同樣是個巨大的挑戰(zhàn),尤其是在陰離子交換膜主鏈結(jié)構(gòu)中存在芳香醚鍵的情況下。堿性燃料電池采用KOH的水溶液作為電解質(zhì),OH~-會攻擊陰離子交換膜中的陽離子基團和主鏈上的芳香醚鍵,導(dǎo)致陰離子膜降解,降低堿性燃料電池的電性能。考慮到咪唑陽離子優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性以及聚苯并咪唑主鏈上不存在芳香醚鍵,我們利用氫化鈉、1-碘戊烷對聚苯并咪唑進行了不同程度的季銨化,并以其為基材制備了一系列含有不同離子交換容量的陰離子交換膜PIL-X。部分季銨化的特性賦予了該陰離子交換膜優(yōu)異的機械性能,拉伸強度在52.9到62.8 MPa之間。由于聚苯并咪唑主鏈上沒有芳香醚鍵,加之苯環(huán)對咪唑環(huán)C_2位的空間保護作用,使得該陰離子交換膜具有優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性。例如,在90℃、100%相對濕度的條件下,PIL-1.47膜具有最高的離子傳導(dǎo)率,達到了40 mS cm~(-1),當其在室溫條件下被浸泡于3.5M KOH水溶液中1200小時后,其最高離子傳導(dǎo)率仍能保留86.23%。
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ425.236
【圖文】：

第 1 章 緒 論983 年，出于軍事用途的考慮，加拿大國防部出資支公司對燃料電池的研發(fā)工作。在各國科學(xué)家的持續(xù)努化劑鉑的用量等關(guān)鍵技術(shù)問題陸續(xù)被解決。燃料電池，加拿大 Ballard Power System 公司成功研制出世界上動的公共汽車。至此以后，各大汽車生產(chǎn)商重新開始，各類以燃料電池驅(qū)動的汽車相繼問世。進入 20 世紀燃料電池的研發(fā)，幾十年來，已經(jīng)在燃料電池技術(shù)領(lǐng)的原理

圖 1.2 質(zhì)子在聚苯并咪唑磷酸摻雜膜中的傳導(dǎo)機理示意圖.5 陰離子交換膜陰離子交換膜（AEM）在堿性燃料電池中負責隔絕電子、傳導(dǎo)陰離子以及隔料和氧化劑，是堿性燃料電池非常關(guān)鍵的部件。AEM 由帶有陽離子基團的高分合物和能夠自由移動的陰離子組成，主要基材是芳香族高分子材料，例如聚醚醚SPEEK）、聚芳砜（PSU）、以及聚苯醚（PPO）等。常見的陰離子交換基團大如下幾類，即胍類（Guanidinium）、季銨類（Ammonium）、叔硫類（Sulfonium唑類（Imidazolium）以及季磷類（Phosphonium）。相較于質(zhì)子交換膜，陰離子膜有兩個短板，一個是離子傳導(dǎo)率低。相比于氫質(zhì)子，氫氧根的體積更大，運動更弱，相同條件下陰離子交換膜的離子傳導(dǎo)率要比質(zhì)子交換膜低一個數(shù)量級[12]個是長期穩(wěn)定性差，在堿性條件下，氫氧根會攻擊陽離子官能團和聚合物主鏈陰離子交換膜降解[13]。

膜（HT-PEMs）的理想材料。但其本身并不具備傳導(dǎo)別是磷酸（PA）來完成質(zhì)子傳輸?shù)倪^程，因此其質(zhì)含量。為了提高聚苯并咪唑/磷酸膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力加具備磷酸吸附能力的小分子填料，離子液體（IL）與聚苯并咪唑之間并沒有共價鍵連接，加之磷酸的塑液體很容易從體系中流失，降低高溫質(zhì)子交換膜的長以 1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽離子液體（BMI-DHPBIOH30）為基材，異氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPT體后水解交聯(lián)的方法，制備了一系列具有“籠狀”交聯(lián)希望籠狀結(jié)構(gòu)能夠有效阻止離子液體的流失，提高高0 的合成

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳誠;賈麗霞;;仿生氧交換膜技術(shù)的進展及對功能紡織品的啟示[J];上海紡織科技;2015年07期

2 孫紅;欒麗華;吳鐵軍;唐玉蘭;王遜;;質(zhì)子交換膜中的傳質(zhì)分析[J];工程熱物理學(xué)報;2012年02期

3 崔春濤;浦鴻汀;;質(zhì)子交換膜中質(zhì)子輸送過程模擬的研究進展[J];材料導(dǎo)報;2004年04期

4 吳凱;張祺;王建黎;;兩性質(zhì)子交換膜的研究進展[J];高分子通報;2017年12期

5 張增英;;氟離子交換膜[J];杭州化工;1991年04期

6 陳仕功;;高考新常態(tài)——有關(guān)交換膜的電解池試題[J];數(shù)理化解題研究;2016年10期

7 馬志鵠;;交換膜原理在電化學(xué)考題中的應(yīng)用[J];數(shù)理化解題研究(高中版);2011年03期

8 孫也斐;;高溫質(zhì)子交換膜技術(shù)改進研究[J];應(yīng)用能源技術(shù);2018年09期

9 劉金宇;馮凱敏;丁黎明;王麗華;韓旭彤;黃慶林;;全釩液流電池用質(zhì)子交換膜的研究進展[J];高分子通報;2018年10期

10 王忱;陳成;;基于陶瓷電極的質(zhì)子交換膜在低溫常壓合成氨中的應(yīng)用[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2014年15期

相關(guān)會議論文 前10條

1 肖谷雨;談云龍;廖慧英;顏德岳;;磺酸側(cè)基分布對性能的調(diào)節(jié):聚芳醚氧膦基質(zhì)子交換膜[A];2015年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集——主題H 能源高分子[C];2015年

2 張燕梅;方軍;伍永彬;;用于堿性直接甲醇燃料電池的新型含氟陰離子交換膜的制備及表征[A];中國化學(xué)會第十一屆全國氟化學(xué)會議論文摘要集[C];2010年

3 紀曉波;嚴六明;陸文聰;馬和平;;酸堿質(zhì)子交換膜中質(zhì)子動力學(xué)行為及協(xié)同效應(yīng)[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第14分會場摘要集[C];2010年

4 李林繁;于洋;鄧波;虞鳴;謝雷東;李景燁;陸曉峰;;輻射接枝法制備質(zhì)子交換膜的研究[A];中國核科學(xué)技術(shù)進展報告——中國核學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集（第一卷·第8冊）[C];2009年

5 石守穩(wěn);陳旭;;浸泡質(zhì)子交換膜力學(xué)性能及其微觀變形機理的研究[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

6 王誠;毛宗強;徐景明;謝曉峰;郭建偉;孫大強;;質(zhì)子交換膜燃料電池失效研究[A];第三屆全國氫能學(xué)術(shù)會議論文集[C];2001年

7 王誠;毛宗強;徐景明;郭建偉;孫大強;;質(zhì)子交換膜燃料電池失效研究[A];中國太陽能學(xué)會2001年學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2001年

8 朱紅;張生生;康曉紅;申靚梅;張寧;;質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑研究新進展[A];2005中國儲能電池與動力電池及其關(guān)鍵材料學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2005年

9 劉盛洲;張興鵬;印杰;;嵌段長度對磺酸基嵌段共聚物質(zhì)子交換膜性能的影響研究[A];2006年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文集[C];2006年

10 肖谷雨;譚寧;馬旭輝;顏德岳;;磺化芳香族聚合物質(zhì)子交換膜的分子設(shè)計、合成及性能研究[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（下冊）[C];2009年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 龐利萍;全熱交換膜給力建筑節(jié)能[N];中國化工報;2015年

2 本報記者 李香才;質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得進展[N];中國證券報;2013年

3 記者 宋言榮 通訊員 馮埃生;我國首臺燃料電池電動汽車實驗成功[N];光明日報;2001年

4 記者 姚耀;國產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池驗收[N];中國化工報;2011年

5 記者 覃秘;高溫質(zhì)子交換膜技術(shù)獲突破 燃料電池商業(yè)化進程有望提速[N];上海證券報;2019年

6 記者 李小兵;攜手質(zhì)子交換膜新貴 百利科技切入氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈[N];上海證券報;2019年

7 ;淺談質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)成及關(guān)鍵輔助系統(tǒng)(下)[N];大同日報;2018年

8 本報記者 龐利萍;讓新能源汽車跑得更快更遠[N];中國化工報;2010年

9 杞人　燕婷;全球最大質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站落戶廣州大學(xué)城[N];科技日報;2010年

10 寧波海順;G復(fù)星 上升空間十分廣闊[N];上海證券報;2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 鄒功文;聚苯醚基質(zhì)子交換膜的制備與性能研究[D];中國石油大學(xué)（北京）;2017年

2 談云龍;含磺化三苯基氧膦的聚芳（硫）醚質(zhì)子交換膜的制備與性能[D];上海交通大學(xué);2017年

3 甄棟興;無機摻雜調(diào)控SPPESK質(zhì)子交換膜微觀結(jié)構(gòu)的研究[D];大連理工大學(xué);2018年

4 羅田偉;基于聚磷腈及聚醚醚酮結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜制備與性能研究[D];北京理工大學(xué);2017年

5 馮萌娜;碳納米材料/聚芳醚腈質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)與性能研究[D];電子科技大學(xué);2018年

6 劉晨光;用于質(zhì)子交換膜的磺化聚醚醚酮的合成和性能研究[D];吉林大學(xué);2005年

7 張建魯;質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑和陰極電極結(jié)構(gòu)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（大連化學(xué)物理研究所）;2005年

8 任素貞;直接甲醇燃料電池用新型質(zhì)子交換膜的研究[D];大連理工大學(xué);2006年

9 王哲;用于燃料電池質(zhì)子交換膜材料的系列磺化聚芳醚砜的合成與性能研究[D];吉林大學(xué);2006年

10 吳雪梅;磺化聚芳醚砜酮及其改性質(zhì)子交換膜的研究[D];大連理工大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李敏慧;含一維/二維納米材料的復(fù)合質(zhì)子膜的制備及其性能研究[D];青島科技大學(xué);2019年

2 管琪;質(zhì)子交換膜燃料電池氣體加濕控制策略的研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

3 任學(xué)超;膦酸功能化硅氧烷/SPEEK質(zhì)子交換膜的制備與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

4 肖飛虎;質(zhì)子交換膜的親疏水性研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

5 劉小波;質(zhì)子交換膜燃料電池熱分布及性能研究[D];重慶理工大學(xué);2019年

6 王占;磺化苯并咔唑基聚醚砜多向質(zhì)子交換膜的制備與研究[D];福建師范大學(xué);2018年

7 吳洪秀;燃料電池用聚丙烯腈基交換膜的制備與性能[D];長春工業(yè)大學(xué);2019年

8 劉文長;聚芳醚酮類質(zhì)子交換膜雜環(huán)位置與磺化位點的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能研究[D];長春工業(yè)大學(xué);2019年

9 王春梅;氮雜環(huán)接枝的磺化聚芳醚酮砜質(zhì)子交換膜的制備與性能研究[D];長春工業(yè)大學(xué);2019年

10 劉暢;側(cè)鏈磺化聚芳醚酮砜及其復(fù)合型質(zhì)子交換膜的制備與性能研究[D];長春工業(yè)大學(xué);2019年

本文編號：2770863