季铵碱阴离子交换膜的合成及其性能测试

摘要

直接甲醇燃料电池(简称DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。DMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源，如电动车电源和手机电池。目前，DMFC面临两大主要难题：一是甲醇从阳极向阴极的透过率高，即膜的阻醇性能较差；二是阳极催化剂对甲醇氧化反应的活性低。 阴离子交换膜作为碱性直接甲醇燃料电池的关键部件，起到传导氢氧根离子、分隔燃料和氧化剂的双重功能。本论文工作集中在膜的制备与表征，并取得如下进展： 1.以全氟磺酸阳离子交换膜为起始原料，通过化学转变，合成由四氟乙烯骨架和具有季铵基末端基侧链组成的全氟阴离子交换膜。膜的转变先后经历了磺酰氯化、还原羧化合成羧酸膜，再经还原、氯化等数步反应，最终合成了末端基为季铵基羟基型的阴离子交换膜。各步反应的中间产物和最终产物由红外光谱得到鉴定。 2.首次使用了氢碘酸这种还原试剂合成羧酸膜，合成实验条件温和，产物转化率高。合成的羧酸膜表面与断面致密无孔洞，含水量14.25％(70℃)，电导率2.31S·m<'-1>，最大拉伸强度可达18.70MPa(湿态)，离子交换容量1.45×10<'-3>mol·g<'-1>。总体来说羧酸膜的性能较好。 3.最终合成的季铵碱型阴离子交换膜表面与断面致密无孔洞，含水量7.6％(50℃)，电导率0.39S·m<'-1>，离子交换容量1.2238×10<'-3>mol·g<'-1>，室温下测得电池开路电压为0.5V，膜的整体性能较好，有望在ADMFC中使用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1直接甲醇燃料电池的研究概况

1.1.1质子交换膜与阴离子膜直接甲醇燃料电池原理

1.1.2碱性直接甲醇燃料电池的优势

1.1.3直接甲醇燃料电池研究现状

1.2阴离子交换膜的研究概况

1.2.1有机阴离子交换膜的修饰和改性

1.2.2不需使用氯甲醚的阴离子交换膜制备新路线

1.2.3有机—无机杂化阴离子交换膜

1.3阴离子交换膜在直接甲醇燃料电池中的应用

1.4课题研究背景及意义

1.5本论文的主要工作

第2章实验部分

2.1试剂与设备

2.1.1化学试剂

2.1.2仪器与设备

2.2合成路线设计方案

2.2.1全氟羧酸膜的合成

2.2.2季铵盐型阴离子交换膜的合成

2.3 ADMFC对离子交换膜的技术要求

2.4表征方法和测试手段

2.4.1红外光谱

2.4.2膜表观形貌表征

2.4.3离子交换容量与等效质量

2.4.4含水量

2.4.5溶胀率

2.4.6力学性能

2.4.7热稳定性

2.4.8传导性

2.4.9燃料电池性能测试

2.5本章小结

第3章羧酸膜的性能测试

3.1实验条件的选择

3.1.1磺酰氯化试剂用量的选择

3.1.2还原试剂及还原温度的选择

3.2红外测试

3.3羧酸膜表观形貌表征

3.4离子交换容量与等效质量

3.5含水量

3.6溶胀率

3.7力学性能

3.8热稳定性

3.9质子电导率的计算

3.10本章小结

第4章季铵盐阴离子交换膜的性能测试

4.1实验条件的选择

4.2红外测试

4.3季铵盐阴离子膜表观形貌表征

4.4含水量

4.5溶胀率

4.6热稳定性

4.7传导性与离子交换容量

4.8电池性能测试

4.9本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢