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《天津大学》 2004年
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含有杂萘联苯的聚芳醚电解质膜研究

邓会宁  
【摘要】:直接甲醇燃料电池(DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。目前,DMFC主要面临两大难题:一是通常使用的质子交换膜的阻醇性能较差;二是阳极催化剂对甲醇反应的催化活性较低。研制耐高温和高导电性的质子交换膜,使电池的工作温度提高,可以提高催化剂的催化活性,同时简化系统的热管理。因此,本论文在新型阻醇质子交换膜和耐高温的质子交换膜方面进行了新的尝试。 含二氮杂萘酮结构聚醚酮(PPEK)、聚醚砜(PPES)和聚醚砜酮(PPESK)系列聚合物具有热稳定性高和机械强度好等优异特性。作为一种碳氢主链聚合物,该系列聚合物相对全氟磺酸聚合物而言价格低廉。 以含杂萘联苯结构的系列聚合物为基材我们制得了一系列不同磺化度的磺化杂萘联苯聚醚酮(SPPEK)、磺化杂萘联苯聚醚砜(SPPES)和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)膜,首次考察了这类膜用于DMFC的可行性。实验发现,磺化度为50%的SPPEK膜和磺化度为49%的SPPES膜在高温下的电导率在10-2S·cm-1,磺化度为131%的SPPESK膜在高温下的电导率接近Nafion膜。同时这三种膜的阻醇性能均优于Nafion膜。三种膜在不同温度下的电导率和甲醇透过系数的综合性能评价指标均高于Nafion115膜。 杂多酸具有较高的电导率和良好的热稳定性,是一类高性能的质子导体。但是由于其易溶于水、无法成膜等缺点导致其不能作为固体电解质在燃料电池中使单独用。PPEK具有较高的热稳定性和良好的成膜性,但本身不具有质子导电性。因此我们考察了一系列PPEK为基体的杂多酸掺杂膜的性能。实验发现,在磷钨酸(PWA)和硅钨酸(SiWA)掺杂PPEK膜中,杂多酸团聚成颗粒分散在PPEK相中,膜的导电性较差。在PPEK中加入亲水性的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)共混,并进行杂多酸的掺杂,得到的复合膜的电导率比共混前显著提高。但PPEK与PVP间存在相分离,杂多酸主要存在于PVP相中。通过磺化对PPEK进行了亲水改性,PWA在SPPEK中的分散均匀。在以DS为58%的SPPEK为基膜的复合膜测试四天,PWA在水中的溶出不超过2%。PWA掺杂量为60%的SPPEK(DS=58%)膜在150℃下的电导率达到10-1 S·cm-1。而SiWA在SiWA/SPPEK膜中团聚成颗粒,在水中的溶出严重。因此将SiWA负载在SiO_2上,通过SiO_2的分散将SiWA均匀地分散到SPPEK膜中,SiWA在膜中的溶出显著下降。
【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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【引证文献】
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