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《天津大学》 2004年
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直接甲醇燃料电池用电解质膜的研究

宋文生  
【摘要】:直接甲醇燃料电池(DMFC)具有结构简单、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高等特点,有望成为未来理想动力源之一,用作移动动力电源和便携式电源。DMFC能否顺利地实现商业化和民用化,其电解质膜、电极材料和催化剂起着关键的作用。通用的Nafion?电解质膜和Pt或Pt合金催化剂价格昂贵,且膜存在甲醇“穿透”问题。为此,本文从非贵金属在碱性介质中具有高活性这一点出发,寻找合适的电解质膜。 碳酸盐(如K2CO3)系中强碱盐,其作为DMFC电解质时,一可放宽电极催化剂的选择范围;二可抑制CO2进入电解质溶液中。我们提出了将碳酸盐聚合物膜用于DMFC的新思路并采取三种方法制备出K2CO3掺杂型电解质膜。第一,在聚丙烯酰胺凝胶中嵌入K2CO3,利用凝胶中的水分子来保证碳酸盐发生电离,制备出K2CO3掺杂聚丙烯酰胺凝胶电解质膜。第二,为提高K2CO3掺杂聚丙烯酰胺凝胶电解质膜的强度,选择聚醚砜微孔膜作增强材料,让聚合在膜微孔内发生,制成增强型K2CO3掺杂聚丙烯酰胺凝胶电解质膜。第三,分两种途径直接掺杂高聚物,一是选择水溶性聚丙烯酰胺或聚四氟乙烯水乳液,使K2CO3在其水相中溶解后制成复合膜;二是K2CO3颗粒直接掺杂热塑性聚氨酯弹性体或尼龙6和聚己内酰胺负载K2CO3掺杂聚砜制备出复合膜。研究发现,K2CO3掺杂型电解质膜的电导率均比较高,且随温度的升高而增加,增加幅度大于Nafion膜;增强型K2CO3掺杂聚丙烯酰胺凝胶电解质膜和支撑型K2CO3掺杂水溶性聚丙烯酰胺复合膜在甲醇液态进料的DMFC中应用时,电池放电性能比较稳定,并具有一定的阻醇作用。此外,K2CO3掺杂高聚物制备复合膜的方法为制备其它的离子传导性电解质膜提供了有益的借鉴。 从碳酸盐水溶液与CO2平衡的开放体系入手,考察了温度对碳酸盐体系中各组分浓度的影响;阐明了为什么碳酸盐电解质体系具有抑制甲醇氧化产物CO2进入溶液的功能;在对碳酸盐体系中负离子浓度分析的基础上,探讨了DMFC中使用碳酸盐电解质时电极反应机理。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TM911.4

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