碱掺杂聚丙烯酰胺凝胶电解质膜的研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有结构简单、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高等特点,有望成为未来理想动力源之一,用作移动动力电源和便携式电源。采用碱性介质有助于解决质子交换膜直接甲醇燃料电池中阳极催化剂对甲醇氧化的催化反应活性低和甲醇渗透两大问题。本文借鉴锂离子电池和超级电容器领域的凝胶电解质膜,尝试在丙烯酰胺的聚合过程中掺杂K2CO3/NaOH,制备了一系列适合碱性介质燃料电池的碱掺杂聚丙烯酰胺(PAAM)凝胶电解质膜,并选择PVDF、PP微孔膜制备了支撑型NaOH掺杂PAAM凝胶电解质膜,考察了自制碱掺杂PAAM凝胶的溶胀性、热性能及电导率。结果表明,凝胶电解质膜在低浓度碱液中呈显著的溶胀现象,并随着时间的延长而趋于稳定;在高浓度碱液中呈现收缩现象。凝胶电解质膜的热性能表明,凝胶聚合物的高分子结构在200℃以下稳定。碱掺杂PAAM凝胶电解质膜在交联度和AAM单体浓度一定的情况下,随着碱掺杂量的增加,室温电导率先上升后下降,分别在K2CO3掺杂量为15.9%和NaOH掺杂量为14%时达到最大值。在碱掺杂量一定的条件下,电导率随AAM单体浓度的增加而下降。凝胶电解质膜的电导率随温度升高而增加。支撑型NaOH掺杂凝胶电解质膜电导率随碱掺杂量的变化趋势与非支撑型一致,同样NaOH掺杂量的支撑型凝胶电解质膜电导率较非支撑型凝胶电解质膜电导率有所降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池技术
• 1.1.1 燃料电池发展历程
• 1.1.2 燃料电池的分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.2.1 PEMFC 发展历史
• 1.2.2 PEMFC 的工作原理
• 1.2.3 PEMFC 的主要组件结构
• 1.2.3.1 质子交换膜（PEM）
• 1.2.3.2 电催化剂
• 1.2.3.3 双极板
• 1.2.4 直接甲醇燃料电池
• 1.3 碱性燃料电池（AFC）
• 1.3.1 AFC 的发展历史
• 1.3.2 AFC 的主要组件及工作原理
• 1.3.3 碱性电解质
• 1.4 凝胶电解质膜
• 1.4.1 凝胶
• 1.4.2 用于锂离子电池的聚合物凝胶电解质
• 1.4.3 超级电容
• 1.4.4 聚丙烯酰胺（PAAM）凝胶制备机理
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 凝胶电解质膜的表征和测试
• 2.1 电导率的测定
• 2.1.1 交流阻抗法测试膜的电导率
• 2.1.2 电导率测量装置
• 2.2 膜溶胀性能的测定
• 2.3 膜结构与形态特性分析
• 2CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜'>第三章 K₂CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜
• 2CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜的制备'>3.1 K₂CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜的制备
• 3.1.1 主要试剂与仪器
• 2CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜的制备方法'>3.1.2 K₂CO₃/NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜的制备方法
• 3.2 纯 PAAM 凝胶膜性能
• 3.2.1 纯 PAAM 凝胶干样 TG/DTG 分析
• 3.2.2 纯PAAM 凝胶湿样DSC 分析
• 3.2.3 纯 PAAM 凝胶膜的溶胀特性
• 2CO₃溶液中的溶胀特性'>3.2.3.1 PAAM 凝胶在 K₂CO₃溶液中的溶胀特性
• 3.2.3.2 PAAM 凝胶在 NaOH 溶液中的溶胀特性
• 3.2.3.3 PAAM 凝胶溶胀与温度关系
• 2CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜性能'>3.3 K₂CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜性能
• 2CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜的微观结构'>3.3.1 K₂CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜的微观结构
• 2CO₃掺杂 PAAM 凝胶的 FT-IR 分析'>3.3.2 K₂CO₃掺杂 PAAM 凝胶的 FT-IR 分析
• 2CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜的电导率'>3.3.3 K₂CO₃掺杂 PAAM 凝胶膜的电导率
• 3.3.3.1 凝胶电解质膜组成与电导率关系
• 3.3.3.2 凝胶电解质膜电导率与温度关系
• 3.4 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶膜性能
• 3.4.1 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶膜的微观结构
• 3.4.2 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶的 FT-IR 分析
• 3.4.3 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶的 TGA 分析
• 3.4.4 NaOH掺杂PAAM凝胶的DSC分析
• 3.4.5 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶膜组成与电导率关系
• 3.5 支撑型的 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜
• 3.5.1 支撑型的 NaOH 掺杂 PAAM 凝胶电解质膜的制备
• 3.5.2 支撑材料的结构与性能
• 3.5.3 支撑型凝胶电解质膜的微观结构
• 3.5.4 支撑型凝胶电解质膜的电导率
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢