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多面体硅氧烷接枝氮杂环在高温质子交换膜中的应用

叶恭博  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有较高的能量转化效率和对坏境的友好性,而在交通运输和固定电源应用上引人关注。而提高电池的运行温度到100-200℃,可以在提高燃料利用效率和降低催化剂CO中毒等方面更有优势,但是含有磺酸根(-SO3H)的质子交换膜(如Nafion膜),在高温下会由于膜中的水含量降低造成质子传导率下降而不能在高温时使用。因此,新型质子传导介质的开发就成为燃料电池高温化的一个重要课题。本文将通过利用氮杂环类离子液体和多面体硅氧烷两种化合物的可设计性合成两种体系的化合物,并对Nafion溶液掺杂制得复合膜,并对复合膜性能进行研究,得到以下结论: (1)通过完全水解氯丙基三甲氧基硅烷的方法,制得含有八条有机活性支链的六面体倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane,POSS),利用其支链上所带的活性基团与有机氮杂环(丙基咪唑和丙基三唑)相结合,得到多功能有机-无机结合的POSS-咪唑和POSS-三唑化合物,并经过红外光谱和核磁共振光谱表征,证实合成路线正确。最后把两种化合物对Nafion掺杂制得复合膜。 (2)分别对Nafion/POSS-咪唑和Nafion/POSS-三唑复合膜进行SEM、AFM、EFM和元素线性分布能谱表征,显示合成颗粒在膜中分布均匀,粒径大小为10-30nm,与Nafion有很好的两相相容性;热力学分析表明掺杂POSS接枝氮杂环能提高膜的高温机械性能,其使用温度可以到160℃以上;机械性能测试表明复合膜的机械强度高于均质膜;在140℃,无加湿的情况下,两种复合膜的电导率分别为0.021Scm-1和0.018 Scm-1;电池极化曲线显示在95℃时湿度下降较小影响电池性能,相对于Nafion/POSS-三唑复合膜,Nafion/POSS-咪唑复合膜有较好的电池性能,在120℃和33%湿度条件下200mAcm-2对应的电压达到了0.501V和0.465V,优于相同条件下其它类型的高温质子交换膜的性能。


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