聚硅氧烷膦酸掺杂PBI高温质子交换膜的制备与研究

作     者：李慧琳 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈春晖

授予年度：2016年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：质子交换膜 ATMP PBI 质子传导率 

摘      要：燃料电池（Fuel Cell）是一种将氧化剂和燃料中的化学能直接转变为电能的新型能量转换装置。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池以后发展起来的第五代燃料电池。质子交换膜具有转化效率高、低温启动快等优点,被认为是清洁能源转换技术之一。质子交换膜（Proton Exchange Membrane）是质子交换膜燃料电池的关键组成部分。目前实现商业化应用的质子交换膜是Nafion膜,它在低温高湿度条件下质子传导率高,在高温条件下（100℃）由于膜内水分蒸发导致质子传导率急剧下降,此外,Nafion膜价格昂贵制备过程繁琐。因此,开发出在高温条件下性能优良价格低廉的质子交换膜是PEMFC研究的重点。本文以氨基三甲叉膦酸（ATMP）为质子传导载体制备了两种不同类型的质子交换膜,对两种膜的各种性能进行比较分析,具体内容如下所示:（1）以氨基三甲叉膦酸（ATMP）和聚苯并咪唑（PBI）为原料,采用溶胶-凝胶法制备出了不同ATMP含量的ATMP/PBI高温质子交换膜。通过傅立叶转换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射分析（XRD）和扫面电子显微镜（SEM）对制备的膜进行结构表征,结果表明ATMP部分键接在PBI上,膜内存在氢键。对制备的膜进行热稳定性、化学稳定性、吸水率、膨胀度、质子传导性能和质子传导活化能等进行了研究。研究表明,制备的膜具有较高的热稳定性和化学稳定性,吸水率、膨胀度和质子传导率可以满足燃料电池在高温下的工作要求,在140℃名义上的无水条件下质子传导率达到0.081S/cm。但是,膜力学强度不高,膜内膦酸易泄漏。（2）以氨基三甲叉膦酸（ATMP）、聚苯并咪唑（PBI）和2-（3,4-环氧环己基）乙基三甲氧基硅烷（EHTMS）为原料,采用溶胶-凝胶法制备出了聚硅氧烷膦酸/PBI高温质子交换膜。傅立叶转变红外光谱（FT-IR）表明,ATMP和EHTMS反应生成了聚硅氧烷膦酸。FT-IR、XRD和SEM表明,体系存在氢键,膜中没有游离的ATMP。对制备的膜进行热稳定性、化学稳定性、机械性能、质子传导性能等进行了研究。研究表明,制备的膜具有具有较高的热稳定性和化学稳定性,机械性能明显优于ATMP/PBI膜,但质子传导率不高（在140℃名义上的无水条件下为0.034S/cm）。