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燃料电池用新型聚醚砜类电解质膜的制备及性能

刘健美  
【摘要】:燃料电池是一种新型、高效的能源系统,在诸如汽车和野外设施的电力供应方面有广泛的应用前景。电解质膜是质子交换膜燃料电池及直接甲醇燃料电池的主要部件之一。本论文论述了制备几类新型基于聚芳醚砜类电解质膜材料的方法,并研究了它们在燃料电池应用方面的相关性能。 以六氟双酚A(HFBPA),9,9’-双(4-羟苯基)芴(BHPF)、4,4’-二氟二苯砜(DFDPS)及3,3’-二磺酸钠-4,4’-二氟二苯砜(SDFDPS)为原料,经高温亲核缩聚反应成功合成了一系列磺化聚芳醚砜(SPAES)并通过改变BHPF及HFBPA的比例来调节聚合物主链的刚性。结果表明,随刚性组分BHPF含量的增加,SPAES膜吸水率及质子导电率降低、但在水中的稳定性增加。在BHPF与HFBPA的比例为1:1及磺化度为50%(SPAES50-50)条件下,膜在60℃水中平面和厚度方向的尺寸变化分别为0.12和0.13,电导率达到0.137 S/cm,而经130℃高温水200 h处理后的失重率仅为7%,表明其有望在温度较高条件下得到应用。 以HFBPA、BHPF、DFDPS和SDFDPS为原料,控制HFBPA和BHPF比例为5:5不变,不断改变DFDPS和SDFDPS来制备不同磺化度的聚芳醚砜。结果表明,随着SDFDPS含量的增加,膜的离子交换容量逐渐增大,吸水率和电导率均随之增大,但尺寸稳定性和水解稳定性均降低,不利于膜的长期工作。综合性能结果表明,在HFBPA、BHPF、DFDPS、SDFDPS比例为1:1:1:1(SPAES50-50)时,膜的综合性能较好。 以DFDPS、SDFDPS、4'4-联苯二酚(BP)为原料,制备了磺化聚芳醚砜聚合物,通过掺入纳米二氧化钛,制备了一类无机-有机复合质子交换膜,测定了吸水率、尺寸变化、水稳定性、电导率和机械强度等性能。结果表明,适量二氧化钛的掺入提高了相对湿度下的电导率,掺杂2.5%二氧化钛的质子交换膜在60℃及相对湿度为50%时,电导率达到33 mS/cm。 以DFDPS和双酚A(BPA)为单体,不同链长脂肪族二胺为交联剂,经过高温缩聚、氯甲基化、季胺化以及碱性化过程制备了交联型聚醚砜阴离子交换膜,并考察了二胺链长对膜性能的影响。结果表明,在等量二胺试剂的情况下,二胺的链长越长,交联效果越好,形成的阴离子交换膜尺寸变化越小,在碱性环境中也越稳定,但吸水率和电导率会相对降低。


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