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《大连理工大学》 2007年
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磺化聚芳醚砜酮新型质子交换膜的制备与研究

顾爽  
【摘要】: 质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件,不但要分隔燃料与氧化剂以避免直接接触,而且要承担传导质子的功能。其性能将直接影响PEMFC的输出性能、能量转化效率和使用寿命等。 为了克服当前以Nafion膜为代表的商用质子交换膜热稳定性差、燃料渗透率高和成本高的缺点,本文使用新型的耐高温高分子材料,二氮杂萘聚芳醚砜酮(PPESK)为基材,通过硫酸/发烟硫酸均相磺化方法,制备磺化聚芳醚砜酮(SPPESK)。优化了有机溶剂溶解-沉淀分离方法,有效地去除残留磺化剂,并有较高的收率(96%以上)。为深入理解分离参数对分离过程的影响,建立了分离过程的数学模型,并利用实验数据进行参数回归,得到了合适的分离区域,有望用于指导类似的分离工作。 采用溶液浇铸法制备SPPESK质子交换膜,考察了铸膜溶剂、凝固温度对成膜状态的影响。以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为铸膜溶剂、40-60℃为凝固温度的条件下制得了表面平整、厚度均匀的SPPESK质子交换膜,其具有很高的热稳定性(T_d>300℃)、适宜的水吸收率和溶胀度,并展示了出色的阻醇性能(甲醇渗透率为Nafion115的1/32-1/42);尽管具有更大的质子迁移活化能,但其质子传导率仍比Nafion115略低;成功进行了H_2/O_2和CH_3OH/O_2单电池放电的初步实验研究,输出功率分别达到426.0和9.63 mW/cm~2。 为提高SPPESK膜电性能,利用乙二醇、丙三醇或聚乙烯醇(PVA)作为交联剂,制备了相应的共价交联质子交换膜。与小分子乙二醇和丙三醇相比,聚合物PVA作为交联剂具有更低的交联温度和更高的交联膜的稳定性。由PVA与SPPESK形成的共价交联网络一方面增大了分子量,另一方面抑制了分子链的运动,使得交联膜具有适宜的水吸收的同时也具有良好的尺寸稳定性;由于具有更高的离子交换容量(IEC)和更大的酸度,也使得交联膜的电性能显著提高,可达SPPESK膜(DS:81%)的2倍。 为克服共价交联质子交换膜脆性较大的问题,利用聚偏氟乙烯(PVdF)憎水以及相容性好等特点,制备了PVdF/SPPESK共混质子交换膜。在共混膜内PVdF与SPPESK主链一起形成憎水网络,不但限制了膜的过度溶胀,而且PVdF柔韧的分子链也可以避免膜的脆性过大。共混膜也具有较高的质子传导率,可与Nafion115相当。
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