高温燃料电池用四氮唑质子导电聚合物的制备及性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因启动速度快、无污染等优点受到了广泛的关注，它的核心组件质子交换膜(PEM)，尤其低温PEM如全氟磺酸膜已经取得了很大的进展并已经商业化。低温PEM对水的高依赖性和在低温工作燃料气中CO使催化剂中毒而极大的降低燃料电池的工作效率，因此高温PEMFC已成为发展的趋势。含N杂环类聚合物的高热稳定性以及它在质子传输过程中所具有载体和传输体的双重作用，使该类聚合物成为高温PEM的研究重点，而四氮唑聚合物有四个N原子并存在互变异构体使其在传输质子时具有更大的优势。但是由于四唑环的解离度低，单纯杂环聚合物具有很低的电导率，为了克服这一缺点需要引入具有高电离度的酸性基团(磺酸基)，本论文通过掺杂和磺酸化进行了改性，提高其在高温条件下的导电性，具体内容如下：
　　（1）以丙烯腈为原料通过乳液聚合制备了高分子量的聚丙烯腈(PAN)，利用Click[3+2]成环原理制备了四唑转化率高达85％的聚5-乙烯基四氮唑(PVTra)；并利用四氮唑的H活性较高易被取代的特点，制备出了不同磺化度的聚2-(3-磺酸丙基)-5-乙烯基四氮唑(SPVTra)，通过红外、核磁分别对PAN、PVTra、SPVTra进行了结构表征。
　　（2）以苯乙烯为原料制备了磺化度为72%的磺化聚苯乙烯(SPS)，并与PVTra掺杂通过溶液浇铸的方法制备了PVTra(SPS)0.5、PVTra(SPS)、PVTra(SPS)2三种不同比例的共混薄膜，针对高温PEMFC应用对其性能进行了初步评价。研究了共混后薄膜的离子交换容量(IEC)、热稳定性、吸水性、导电性和机械性能。在无外界供湿的条件下，PVTra(SPS)2在100oC和120oC时电导率分别达到了1.23×10-2S/cm和4.40×10-2S/cm，与Nafion低温高含水时电导率相当。
　　（3）通过溶液浇铸方法制备了SPVTra-20、SPVTra-40和SPVTra-55三种不同磺化度的质子交换膜，针对高温PEMFC应用也初步评价了质子交换膜性能。结果表明：磺酸丙基的引入使薄膜的离子交换量(IEC)增加，机械性能有所下降，热分解温度约为200oC左右，SPVTra-55在120oC无外部供湿条件下时电导率达到3.74×10-3S/cm。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 燃料电池

1.3 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1.4 质子交换膜(PEM)

1.5 高温质子交换膜材料

1.6 本课题的主要设想

第二章 实验部分

2.1 实验原料及仪器

2.2 聚丙烯腈(PAN)的制备

2.3 聚5-乙烯基四氮唑(PVTra)的制备

2.4 磺化聚苯乙烯(SPS)的制备

2.5 聚2-(3-磺酸丙基)-5-乙烯基四氮唑(SPVTra)的制备

2.6 质子交换膜的制备

2.7 表征方法

第三章 四氮唑聚合物的制备和表征

3.1 前言

3.2 聚丙烯腈(PAN)的制备和表征

3.3 聚5-乙烯基四氮唑(PVTra)的制备和表征

3.4 聚2-(3-磺酸丙基)-5-乙烯基四氮唑(SPVTra)的制备与表征

3.5 本章小结

第四章 四氮唑质子交换膜的制备及性能表征

4.1 PVTra和磺化聚苯乙烯(SPS)共混质子交换膜的制备及性能

4.2聚2-(3-磺酸丙基)-5-乙烯基四氮唑质子交换膜(SPVTra)的制备及性能

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文