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多嵌段型磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能研究

作　者: 陈珊珊
导　师: 陈守文；胡朝霞
学　校: 南京理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 质子交换膜 磺化聚芳醚砜 嵌段共聚合物 复合膜 质子电导率
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型、高效的能源系统,质子交换膜(PEM)是PEMFC中的核心部件之一。本论文设计与制备了几类新型的基于磺化聚芳醚砜(SPAES)的质子交换膜材料,详细研究了其作为燃料电池质子交换膜的基本性能。采用多嵌段共聚工艺,改变磺化链段的双酚单体结构,成功制备了主链刚柔性可控的嵌段型SPAES膜。通过1H NMR对聚合物结构进行确认。结果表明：在相似的离子交换容量(LEC)下,磺化链段含有双酚芴结构的嵌段型SPAES膜吸水率(WU)、尺寸变化最小,水稳定性最好,且在整个相对湿度范围内的电导率(σ)最大(IEC=1.70 meq/g时,60℃、50%相对湿度下σ为23 mS/cm),与Nafion 112 (27 mS/cm)相当。磺化链段双酚单体选用双酚芴结构,非磺化链段选用六氟双酚A结构,改变磺化／非磺化链段长度,成功制备了一系列嵌段型SPAES膜。结果表明：随着链段长度增加,嵌段型SPAES膜的WU和σ增大,水解稳定性和机械性能下降。当磺化／非磺化链段长度为10时,膜综合性能最好(LEC=1.43meq/g,60℃、70%相对湿度下σ达到30 mS/cm,失重率仅为2.7%)。与无规型SPAES膜相比,嵌段型SPAES膜显示出较高的WU和低湿度下的σ。以嵌段型SPAES共聚物为前驱体,通过溶液共混法,向其掺杂纳米级TiO2复合改性。结果表明：纳米复合膜在高温下的吸水率及杨氏模量均高于空白膜,且在水中的电导率明显大于空白膜。说明掺杂纳米TiO2在一定程度上改善了质子交换膜的性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-25
  1.1 燃料电池  10
  1.2 质子交换膜燃料电池  10-12
    1.2.1 PEMFC工作原理  10-11
    1.2.2 PEMFC对质子交换膜的技术要求  11-12
  1.3 质子交换膜  12-24
    1.3.1 全氟磺酸系列质子交换膜  12
    1.3.2 磺化芳香系列质子交换膜  12-24
  1.4 论文研究的目的和主要内容  24-25
2 实验材料与实验方法  25-30
  2.1 实验设备及实验原料  25-27
    2.1.1 实验设备  25-26
    2.1.2 实验原料与试剂  26
    2.1.3 试剂精制与原料纯化  26-27
  2.2 表征方法  27-30
    2.2.1 核磁共振分析  27
    2.2.2 相对粘度  27
    2.2.3 离子交换容量  27-28
    2.2.4 吸水率和尺寸变化  28
    2.2.5 水解稳定性  28
    2.2.6 质子电导率  28-29
    2.2.7 机械强度  29-30
3 多嵌段型磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能研究—磺化链段双酚单体结构的影响  30-40
  3.1 引言  30
  3.2 实验部分  30-32
    3.2.1 聚合物的合成  30-31
    3.2.2 质子交换膜的制备  31-32
  3.3 结果与讨论  32-39
    3.3.1 嵌段共聚物的合成与表征  32-34
    3.3.2 离子交换容量、吸水率、尺寸变化  34-37
    3.3.3 水解稳定性  37
    3.3.4 机械强度  37-38
    3.3.5 质子电导率  38-39
  3.4 本章小结  39-40
4 多嵌段型磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能研究—磺化/非磺化链段长度的影响  40-47
  4.1 引言  40
  4.2 实验部分  40-41
  4.3 结果与讨论  41-46
    4.3.1 吸水率和尺寸变化  43-44
    4.3.2 水解稳定性  44
    4.3.3 机械强度  44-45
    4.3.4 质子电导率  45-46
  4.4 本章小结  46-47
5 嵌段磺化聚芳醚砜/纳米TiO_2复合型质子交换膜  47-54
  5.1 引言  47
  5.2 实验部分  47-48
  5.3 结果与讨论  48-53
    5.3.1 膜的制备与表征  48-49
    5.3.2 IEC、吸水率  49-50
    5.3.3 尺寸变化  50
    5.3.4 机械强度  50-51
    5.3.5 质子电导率  51-53
  5.4 本章小结  53-54
6 结论  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-62
附录  62-63

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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