直接甲醇燃料电池用新型质子交换膜的研究

论文摘要

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能不经燃烧直接转化为电能的发电装置。直接甲醇燃料电池（DMFC）以甲醇为燃料,具有比能量密度高、结构简单、使用方便灵活等特点,在手机、笔记本电脑等可移动电源领域具有广阔的应用前景。 质子交换膜是DMFC的关键材料之一,它起着分隔阴、阳极室和传导质子的双重作用,本论文工作以降低膜的甲醇渗透率和提高膜的使用温度为目标,围绕用于DMFC的新型质子交换膜材料的制备与表征,取得了如下主要进展: 1.采用浓硫酸作磺化剂,通过控制反应时间和温度,制得不同磺化度的磺化聚醚醚酮（SPEEK）,磺化度为45～50%的SPEEK在机械稳定性和质子传导率方面能基本满足DMFC的性能要求。电化学研究结果表明,与Nafion? 115膜相比,SPEEK膜的甲醇渗透率明显降低。 2.采用浸渍-烘烤方法制备了新型Nafion/SPEEK/Nafion复合膜,该膜的SPEEK层具有较强的阻甲醇渗透功能,两侧的Nafion层增强了膜与电极催化层的物理化学相溶性,有利于质子在膜与催化层界面传输,降低了膜与催化层的接触电阻。 3.用聚偏氟乙烯（PVdP）和SPEEK共混制膜,所得膜水热稳定性较高。实验表明共混膜的质子传导率随PVdF的含量增大而下降。虽然组成为SPEEK/PVdF=9/1的共混膜质子传导率约为Nafion?115膜传导率的1/10,但其甲醇渗透量仅是在相同测试条件下Nafion? 115膜渗透量的1/20。 4.制备了Nafion/硅烷和PVdF/硅烷两种有机/无机复合膜,研究结果表明:（1）Nafion/硅烷复合膜有较高的质子传导率。其中,硅掺杂量为5%的由Nafion/正硅酸乙酯（TEOS）-巯基硅烷（SCA-902）制备的复合膜性能良好,由该膜组装的DMFC放电性能在120℃测试时好于Nafion?117膜组装的DMFC性能。（2）PVdF/硅烷复合膜的质子传导率随温度的变化关系表明,在90～100℃时,质子传导率最高。

论文目录

• 前言
• 第一章 文献综述和选题
• 1.1 直接甲醇燃料电池（DMFC）工作原理
• 1.2 DMFC对质子交换膜的要求
• 1.3 燃料电池的极化
• 1.4 水和甲醇在质子交换膜内的传递过程
• 1.4.1 膜对水份的吸附特性
• 1.4.2 水在质子交换膜内的传递
• 1.4.3 甲醇在质子交换膜内的吸附特性
• 1.5 阻醇质子交换膜的研究进展
• 1.5.1 全氟质子交换膜
• 1.5.2 部分氟化磺酸质子交换膜
• 1.5.3 非氟质子交换膜
• 1.5.4 对现有膜的改进
• 1.5.4.1 针对减少甲醇渗透率
• 1.5.4.2 针对改善膜的质子传导率
• 1.5.4.3 针对改善膜的机械性能
• 1.5.4.4 针对提高电池工作温度
• 1.5.5 无机质子交换膜
• 1.6 本论文的选题和主要研究思路
• 参考文献
• 第二章 磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜的研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 磺化反应
• 2.1.3 膜制备
• 2.1.4 膜的含水率测定
• 2.1.5 XRD测试
• 2.1.6 FT-IR测试
• 2.1.7 膜的阻醇性能测试
• 2.1.8 膜的单电池性能测试
• 2.2 SPEEK的物理性能表征
• 2.2.1 膜的FT-IR测试
• 1H-NMR测试'>2.2.2 膜的¹H-NMR测试
• 2.2.3 膜的XRD测试
• 2.2.4 膜的溶解性表征
• 2.3 磺化反应时间和SPEEK磺化度的关系
• 2.4 膜的含水率
• 2.5 膜的阻醇性能
• 2.5.1 微观结构对膜阻醇性能的影响
• 2.5.2 膜厚度对甲醇渗透的影响
• 2.6 膜在电池中的性能研究
• 2.6.1 温度对DMFC性能的影响
• 2.6.2 甲醇浓度对电池性能的影响
• 2.7 膜在其他直接醇类燃料电池的放电性能
• 2.8 有关讨论
• 2.9 本章小结
• 参考文献
• 第三章 SPEEK和Nafion双层复合膜的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 SPEEK／Nafion115复合膜的制备
• 3.1.2 膜电极集合体（MEA）的制备
• 3.2 经果与讨论
• 3.2.1 双层膜的紧密结合
• 3.2.2 双层膜阻醇性能
• 3.2.3 双层膜膜电极放电性能
• 3.2.4 双层膜膜电极间歇测试稳定性
• 3.2.5 有关讨论
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Nafion/SPEEK/Nafion（NSN）复合膜的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 NSN多层复合膜的制备
• 4.1.2 NSN多层复合膜质子传导率的测量
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 膜的甲醇渗透性能
• 4.2.2 膜的质子传导性能
• 4.2.3 膜的放电性能
• 4.2.3.1 Nafion层对放电性能的影响
• 4.2.3.2 高浓度甲醇燃料电池放电性能
• 4.2.3.3 NSN复合膜组装的DMFC间歇测试稳定性
• 4.2.4 NSN复合膜制备方法的再研究
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 SPEEK和聚偏氟乙烯（PVdF）复合材料的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂
• 5.1.2 SPEEK和PVdF共混膜的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 共混膜的水热稳定性
• 5.2.2 共混膜的质子传导能力
• 5.2.3 共混膜的阻醇性能
• 5.2.4 共混膜的放电性能
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 高温阻醇复合膜的初步研究
• 6.1 实验
• 6.1.1 主要化学药品
• 6.1.2 复合膜的制备
• 6.1.2.1 Nafion／硅烷复合膜的制备
• 6.1.2.2 PVdF／硅烷复合膜的制备
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 Nafion／硅烷复合膜的高温DMFC性能
• 2复合膜的主要性能'>6.2.2 PVdF／S-SiO₂复合膜的主要性能
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本研究工作所取得的主要结论
• 7.2 展望：有待继续深入研究的问题
• 附录
• 创新点摘要
• 作者简介及攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书