基于有序介孔氧化硅纳米复合物的质子交换膜燃料电池用无水质子传导材料

摘要

能源是世界得以运行的原动力，现如今全球能源需求持续增加。由于人口的快速增长、技术的革新以及机械技术的发明，使得能源消耗殆尽的速度也越来越快。石油是目前应用最为广泛的燃料，但它是不可再生的。人们对汽油和柴油的需求持续增长使得对能源的依赖越来越单一，然而这这种单一的能源总会有消耗殆尽的一天。另一方面，石油化石燃料的使用也为环境增加了许多负担，如温室效应等。人们意识到可再生能源、能源多样性、环境保护对可持续发展的重要性，所以在全球范围内，人们对可再生能源技术的投入也越来越多。如果在广泛的使用氢气作为燃料，不仅可以减少对化石燃料的依赖，还有利于减少温室气体的排放。像地热能、风能、氢能、太阳能等替代能源将在满足人们对能源需求过程中起到举足轻重的作用，这不仅能使我们这一代人受益，还能让后世子孙受益。
　　氢气在某种程度上来说是一种很有前途的能量载体，因为它可以从许多丰富能源包括化石能源，核能中获得，并且可再生。使用氢能，尤其是为了运输需求，将使我们能够用丰富的国内资源使能源供应更加多样化。燃料电池用氢气来发电，副产品只有水和热。并且，燃料电池不像其他的技术，它能利用沼气、甲烷、丁烷等来提供氢能。
　　聚合物电解质膜燃料电池被研究用作低功率电化学能量转换装置，它被看做是潜在的能量转换装置来替代传统的能源转换系统如内燃机。
　　聚合物电解质膜对燃料电池的整体性能起着至关重要的作。全氟磺酸膜仍然是使用量最大的质子交换膜材料，然而，使用Nafion膜的燃料电池在运行时也会出现一些问题，例如水和热的管理困难使得Nafion膜的应用受到限制。因此研究一种在高达100℃和低湿度下仍然保持致密、良好的机械性能和高质子电导率的膜用于质子交换燃料电池对研究者来说极具挑战性。最近，100℃以上高温质子交换膜燃料电池被提出来，用来取代低温质子交换膜燃料电池，可以解决催化剂CO中毒和水淹现象，有助于燃料电池效率的提高。
　　在我的研究工作中，为了解决目前高温质子交换膜燃料电池系统中的技术难题，我们通过缩聚和Friedel–Crafts亲电取代反应制备了一种以磺酸基团功能化或者以高极性、两性（酸碱性）和自游离分子（咪唑）功能化的聚砜（PSF）膜材料，并对性能进行了研究。咪唑是一种高极化的化合物，分子结构中既包含质子给予体（NH），又包含质子受体（N:）,最近的研究表明咪唑可以用作高温无水溶剂。
　　PSF是一种高性能热塑性树脂，有良好的化学性能，机械性能和热稳定性能。最近，这些高分子被频繁改性并用作高温燃料电池质子导电膜材料，尤其是温度高于100℃。
　　在两个实例中，官能团（离子位点）一方面与聚合物骨架相分离，另一方面在支链区域集中。通过将离子位点与主链相隔离，实验制备的薄膜的疏水与亲水区域的纳米相分离将受到影响，反之，也会为膜提供一种水吸收平衡。
　　实验中，我们通过多种技术来表征所制备的薄膜。光谱和热表征是两项表征材料结构特征功能特性和电池应用的重要手段。傅里叶红外（FTIR）和核磁共振（NMR）将用于表征薄膜的结构和组成特征。其他表征技术还有：TGA，SEM，AFM，机械性能等。实验表明所制备的薄膜不仅表现出了较高的导电性能，还表现出了优异的机械性能。
　　在无水环境下，通过阻抗测试发现，薄膜的离子导电率在140℃时达到7.9410–3，并且质子传导的活化能为11.6kJ mol-1。因此，相比于直接磺化芳烃材料，通过对这些材料的修饰，使得材料具有质子传导性能和热稳定性能。

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Index of symbols and Abbreviations

CHAPTER 1INTRODUCTION, REVIEWS OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL, AND PROPERTIES OF MATERIALS

1.1 Research Background

1.2 Research Scopes

1.3Fuel Cell

1.4Proton Exchange Membrane Fuel Cells (Pem–Fc)

1.5High Temperature Polymer Electrolyte Membranes Fuel Cell

1.6Challenges for Development of Higher Temperature and Low RH PEMs

1.7 Polysulfone

1.8Motivations for Functionalized Polysulfone

1.9 REFERENCE

CHAPTER 2CHARACTERIZATION TECHNIQUES AND CHEMICALS/REAGENTS

2.1Chemicals and Reagents

2.2General Measurements and Characterization Techniques

CHAPTER 3Preparation of Imidazole–1–yl 4–Methylbenzoate–PSFfunctionalized Polysulfones as an Alternative Material to Improve Proton Conductivity at Low Relative Humidity Fuel Cell Applications

3.1 Introduction

3.2 Imidazole as Proton conducting materials for Anhydrous High Temperature Polymer Electrolyte Membranes fuel cell

3.3 EXPERIMENTAL SECTIONS

3.4RESULTS AND DISCUSSION

3.5 CONCLUSION

3.6 REFERENCE

CHAPTER 44–Methylbenzenesulfonic Acid as an Alternative Proton Conducting Functional Group for Elevated Temperature Polymer Electrolyte Membranes Fuel Cell

4.1 INTRODUCTION

4.2 EXPERIMENTAL SECTION

4.3 RESULTS AND DISCUSSION

4.4 CONCLUSION

4.5 REFERENCES

Figure and Table Captions

致谢

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