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《北京化工大学》 2014年
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碱性燃料电池用聚磷腈基阴离子交换膜的研究

樊建涛  
【摘要】:人类文明已经经历了数百万年的发展历程并达到了前所未有的高度,而人类的发展进步归根结底是随着能源的发现、使用、及使用技术的进步而进步的。在能源消耗如此迅速的当下经济环境中急需新能源的开发和利用来解决日益严峻的能源危机。燃料电池技术正是这样的一个技术。其中聚合物膜燃料电池由于其体积小,结构紧凑以及比能量高且可快速启动等优点,为近年来发展较为迅速的燃料电池技术。 碱性膜燃料电池(AEMFCs)是聚合物膜燃料电池中的一种,它不同于质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的是燃料在碱性介质下较酸性介质具备更高的反应动力学常数,因此非贵金属材料如Ni、Ag等就可作为碱性膜燃料电池高效、稳定的电催化剂,较质子交换膜燃料电池必须利用Pt基催化剂更具应用前景。AEMFCs的核心部件就是碱性聚合物电解质膜(AEM),而目前尚无完全满足燃料电池应用条件的AEM。因此,研究综合性能优异的AEM是AEMFCs发展的首要目标。 目前AEM存在的主要问题是离子传导率不足,及尺寸稳定性不足。通常是通过提高聚合物电解质的离子交换容量(IEC)来提高AEM的离子传导率,然而,IEC的提高往往也伴随着其尺寸稳定性的下降。本文选取具有较小的结构单元的聚对甲基苯氧基磷腈(PMPP)为碱性聚合物膜的骨架结构,由于其每个结构单元上都可以连接两个功能团,使得聚合物具有很大的改性空间,可以获得IEC范围较宽的系列AEM。针对AEM目前存在的问题,本文提出了若干解决思路,以其获得综合性能优异的AEM。 1.交联聚磷腈AEM的研究 通过制备不同溴代度的聚对甲基苯氧基磷腈(BPMPP),以具有较高碱稳定性的N-甲基咪唑(MIMZ)作为季铵化试剂,并以可作为季铵化试剂的N,N,N',N',-4-甲基-1,6-己二胺(TMHDA)作为交联剂,制备了不同溴代度及交联度的AEM,由于聚磷腈较小的结构单元及其每个单元有两个活性位点,通过调节溴代度可得到离子交换容量非常广的AEM,在较高IEC的基础上可通过控制TMHDA来控制AEM的交联程度以其得到具有较高离子传导率及尺寸稳定性的AEM,制备得到的理论溴代度在60%、理论交联度在30%下的AEM的IEC高达3.23mmol·g-1。溶胀度仅为40%,且在90℃的离子传导率达到67mS·cm-1。 2.季磷、季铵协同型聚磷腈AEM的研究 以三苯基磷作为功能化试剂对BPMPP进行亲核取代反应,通过三苯基磷及其相对应的季磷基团较弱的碱性及吸水能力以降低AEM的溶胀度,由于季磷基团相对于聚磷腈骨架具有较大的空间位阻,其将会覆盖较多的活性位点,因此,在此基础上再引入最小的季铵化试剂三甲胺来削弱大空间位阻三苯磷的影响,不仅提高了溴代活性位点的利用效率,还可通过三甲胺的量来调节AEM的IEC及吸水率,以优化得到综合性能优异的AEM。 3.各向异性碱性膜的研究 对于纯的聚合物碱性膜来说其是由亲水的离子传导相与疏水的非导电相组成,疏水相与亲水相随即的分布于水合的碱性膜当中。碱性膜内的离子传导通道是由水合的亲水相间的相互连接形成的,但是这些形成的离子传导通道往往是弯曲的,这无疑增加了离子传导的路径降低了传导效率。无机阴离子层板状材料水滑石(LDH)其层间是可以移动的阴离子,LDH的层间域就是广阔的阴离子传导域,相对与聚合物亲水相形成的离子传导通道更广阔。因此,向聚磷腈阴离子树脂中引入无机阴离子层板状材料水滑石(LDH)并通过电场定向成膜将LDH纳米层片在AEM内沿膜厚方向排列形成各向异性的碱性膜。LDH在碱性膜内的定向排布不仅较大的利用了LDH的体电导率缩短了阴离子的传导路径,还可以间接的诱使由聚合物上的官能团相互聚集形成的离子传导通道也沿膜厚方向发生定向排布,提高咪唑嗡盐基团的利用效率。此外,LDH加入到AEM中也将提高膜的机械性能。添加LDH及经过电场定向之后的AEM较纯聚磷腈阴离子树脂的AEM的的IEC、Wu、机械性能及离子传导率均有较大提高。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM911.4

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 衣宝廉,韩明,张恩浚,曲天锡,邵志刚,林治银,孙德尧,张海峰,刘浩;千瓦级质子交换膜燃料电池[J];电源技术;1999年02期
【共引文献】
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1 魏永生;朱红;郭玉宝;郭志军;张新卫;;直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化[J];北京交通大学学报;2010年06期
2 简弃非;王丹;魏蕤;;交指型流场结构的质子交换膜燃料电池温度分布特性模拟[J];兵工学报;2009年09期
3 范韬;;质子交换膜燃料电池及其在电动汽车上的应用[J];北京汽车;2009年04期
4 谭俊;邢汝鑫;钱耀川;;磁控溅射CrNx薄膜的接触电阻及其耐腐蚀性能[J];中国表面工程;2010年06期
5 桂长清;柳瑞华;;目前动力电池的市场格局[J];蓄电池;2010年03期
6 马伯岩;;潜艇AIP系统和燃料电池[J];船电技术;2007年04期
7 宋义超;余波;;高温质子交换膜燃料电池用电解质膜研究进展[J];船电技术;2011年12期
8 唐德修;;对燃料电池推动汽车技术进步的探讨[J];重庆工学院学报;2006年11期
9 沈春晖;潘牧;罗志平;袁润章;;石墨/聚合物复合材料双极板的研究进展[J];材料导报;2005年03期
10 陈云俊;孙毅;崔志伟;康高英;;氧化钆掺杂氧化铈势函数的综述[J];材料导报;2010年19期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 汪强兵;奚正平;汤慧萍;王培;王建勇;杨保军;葛渊;;多孔材料在燃料电池中的应用[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
2 刘向;郭振波;张伟;王东;钱斌;;质子交换膜燃料电池膜电极组件性能研究[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
3 杜巍;张凯健;黄成德;;不同晶型TiO2掺杂PtRu电催化剂的合成及其在电催化中的应用[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
4 王荣方;刘军民;廖世军;;有机溶胶法制备PdFe/C氧还原催化剂[A];第七届全国氢能学术会议论文集[C];2006年
5 张晓东;陈雷;孟祥梅;孙立;;生物质制氢与燃料电池整合系统研究[A];第七届全国氢能学术会议论文集[C];2006年
6 尤欣敏;郭福田;许鑫;赵志刚;;利用回收铂料制备Pt/C催化剂及其性能表征[A];第一届氢能关键材料与应用研讨会论文集[C];2013年
7 张璟;乔锦丽;;基于季铵基团的PVA/PDDA碱性阴离子交换复合膜的制备、性能及燃料电池应用研究[A];2013中国环境科学学会学术年会浦华环保优秀论文集[C];2013年
8 汪耀明;吴亮;李传润;;面向冶金领域的均相离子膜的产业化及规模应用[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年
9 汪耀明;吴亮;李传润;;黄金冶炼废水双极膜法处理示范工程建设[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年
10 李佳佳;彭辉;马国富;雷自强;;PVA-KOH-KIO_3凝胶聚合物电解质的制备及性能研究[A];甘肃省化学会第二十八届年会暨第十届中学化学教学经验交流会论文集[C];2013年
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1 吴林;镁锂基合金在NaCl溶液中电化学行为的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘杨华;SOFC固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算[D];湖南大学;2010年
3 詹跃东;质子交换膜燃料电池的综合智能协调控制研究[D];昆明理工大学;2010年
4 于洁;固体氧化物燃料电池钙钛矿型复合氧化物阴极材料的研究[D];昆明理工大学;2009年
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6 魏永生;直接甲醇燃料电池膜电极的关键材料与模型模拟研究[D];北京交通大学;2011年
7 林海丹;磺化聚芳醚酮类质子交换膜材料的制备及性能研究[D];吉林大学;2011年
8 张杨;用于直接甲醇燃料电池的新型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备与性能研究[D];吉林大学;2011年
9 李雪峰;新型聚芳醚质子交换膜材料分子设计及结构和性能关系的研究[D];吉林大学;2011年
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1 刘洋;碳载Pd及碳载Pd-Au催化剂对甲酸电催化氧化的研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
2 高艳伟;炭载Pd-Ni催化剂对甲酸的电催化氧化[D];哈尔滨师范大学;2010年
3 石非;20kW燃料电池动力装置系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 许标;被动式微型直接甲醇燃料电池的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
5 刘毅;金属空气燃料电池聚合物电解质的合成[D];哈尔滨理工大学;2010年
6 宁德争;氧化物掺杂Ce_(0.9)RE_(0.1)O_(2-δ)(RE=Sm,Gd)陶瓷材料结构与电性能研究[D];长春工业大学;2010年
7 黄健;PEMFC输出性能影响因素的仿真研究[D];昆明理工大学;2010年
8 李红彬;碳载Au基低温燃料电池阳极催化剂电化学性能研究[D];昆明理工大学;2010年
9 杨微格;固体氧化物燃料电池梯度阴极及复合电解质的研究[D];浙江大学;2011年
10 刘丽芳;纳米碳管作为质子交换膜燃料电池催化剂载体的研究[D];浙江大学;2011年
【二级参考文献】
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1 李乃朝,衣宝廉;国外燃料电池研究发展现状[J];电化学;1996年02期
2 徐洪峰,韩明,衣宝廉,张新革,张恩俊,葛善海;固体聚合物电解质燃料电池的研究[J];电化学;1996年03期
3 衣宝廉;质子交换膜型燃料电池(PEMFC)——国内外状况与主要技术问题[J];电源技术;1997年02期
4 葛善海,衣宝廉,徐洪峰;质子交换膜燃料电池水传递模型[J];化工学报;1999年01期
5 徐洪峰,衣宝廉,韩明;固体聚合物电解质燃料电池[J];化学通报;1996年07期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 宝冬梅;刘吉平;;聚磷腈材料在航空航天及军工领域的应用研究[J];中国塑料;2012年04期
2 任杰;陈云华;;聚磷腈的研究和应用[J];材料导报;2004年07期
3 王光辉,魏晓金,雷国元;聚磷硫酸铁混凝去除微污染水中藻类生物研究[J];华中科技大学学报(城市科学版);2005年03期
4 权英,崔子文,杨云峰,徐丽;一类新型的无机聚合物──聚磷腈[J];华北工学院学报;1998年01期
5 王志锋;曹继平;姚楠;王建中;;芳氧基聚磷腈的合成及性能[J];火炸药学报;2010年02期
6 王志锋;王建中;曹继平;张艳辉;;芳氧基聚磷腈绝热包覆材料研究进展[J];固体火箭技术;2013年01期
7 程原,乔晋忠,朱福田;六溴环三聚磷腈的合成及结构表征[J];应用基础与工程科学学报;2003年02期
8 郑怀礼;范伟;焦世珺;何强;关庆庆;姚秉华;卢伟;;聚磷硫酸铁混凝去除邻苯二甲酸酯类环境激素[J];土木建筑与环境工程;2012年03期
9 张吉广,叶立群,林洁;复合型混凝剂聚磷氯化铁的混凝机理及应用[J];交通环保;2001年04期
10 刘典英;刘景东;;以聚磷腈为电解质的锂/空气电池[J];电池;2011年02期
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1 杜宏伟;杨柳燕;肖琳;;转聚磷激酶基因应用及其调控的研究进展[A];江苏省遗传学会第七届二次代表大会暨学术研讨会论文摘要汇编[C];2008年
2 陈容;余炳宏;杨波;曹海花;焦世珺;张会琴;邓琳莉;郑怀礼;;无机高分子絮凝剂聚磷硫酸铁的带电特征与红外光谱分析[A];中国化学会第十五届全国有机分析及生物分析学术研讨会论文集[C];2009年
3 宝冬梅;刘吉平;;聚磷腈材料在航空航天及军工领域的应用研究[A];中国工程科技论坛第123场——2011国防科技工业科学发展论坛论文集[C];2011年
4 刘承美;赵晨;胡芬;周云;许燕;邱进俊;包瑞;;具有光电活性聚磷腈的合成与性能研究[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
5 王栋;刘吉平;;线性聚磷腈的研究进展[A];2012年中国阻燃学术年会论文集[C];2012年
6 王岩;牟建新;姜振华;;新型含氟环交联聚磷腈微纳球的制备技术和性能研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
7 周占玉;杨新改;王秀芬;;聚磷腈阻燃及绝热材料研究综述[A];2012年中国阻燃学术年会论文集[C];2012年
8 杨建辉;马翰林;吴战鹏;武德珍;;线形芳氧基聚磷腈弹性体的合成、表征以及耐烧蚀性研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
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1 崔小明;聚磷腈要抓紧开发利用[N];中国化工报;2002年
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1 樊建涛;碱性燃料电池用聚磷腈基阴离子交换膜的研究[D];北京化工大学;2014年
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5 王洪霞;两种聚磷腈的合成与性能研究[D];浙江大学;2007年
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