SPPESK电纺有序纤维复合质子交换膜的储备及性能

摘要

目前，Nafion膜是质子交换膜(PEMFC)广泛应用的质子交换膜(PEM)，但是它使用成本高、甲醇渗透率高、氢气渗透等缺点限制了PEMFC的发展。含有芳香环的非氟类高分子化合物由于其成本低以及化学稳定性高等特点受到越来越多的研究者重视，非氟质子交换膜的缺点是质子传导率低。传统方法通过增加离子离子交换容量(IEC)来改善非氟膜的质子传导性，但是IEC过高会使得膜过度溶胀。静电纺丝法可以制备纳米级纤维，通过堵孔可以制备质子交换膜，由于离子簇在静电场作用下发生聚集，形成联通的质子通道，提高了 PEM的质子传导性，并且在纤维网络的支撑下可以提高膜的耐溶胀性能。本文利用静电纺丝方法，制备了表面有序纤维复合质子交换膜，进而制备了厚度有序纤维复合质子交换膜。提高了膜厚度方向质子传导率，并具有优异的物质相容性，国内外未见报道。
　　首先，通过静电纺丝法制备出平行有序的SPPESK纳米纤维，考察了纺丝液浓度、喷射流速、电压、滚轮转速对制备平行有序纤维形貌的影响。确定最优纺丝条件为:纺丝电压为20kV、滚轮转速为2000rpm、喷射流速为6μL/s、纺丝液浓度为20.2wt％。所制备的电纺纤维平行有序，直径范围100-300nm。
　　然后，利用相同离子交换容量的SPPESK溶液对平行有序纤维堵孔，制备了表面有序纤维复合质子交换膜(Surface Aligned PEM，SA-PEM)。考察了不同IEC下，SA-PEM的性能。通过优化实验得到，80℃下，IEC1.82mmol/g的SA-PEM平行纤维方向电导率可达到163mS/cm，是同IEC下浇铸膜的1.16倍，与Nafion115膜(153mS/cm)相当，纤维复合膜溶胀度仅为22.0％，与Nafion115(21.0％)膜相当，小于浇铸膜(29.1％)
　　为了提高质子交换膜厚度方向质子传导率，将IEC1.82mmol/g的平行有序SPPESK纤维叠加，经过堵孔溶液浸润、干燥，再经过切片、平整、干燥、质子化后，制备了SPPESK纤维沿厚度有序的厚度有序纤维复合质子交换膜(Thickness Aligned PEM，TA-PEM)。研究表明，TA-PEM的平整处理，可以提高膜表面相容性，降低各向异性。平整后TA-PEM具有更优异的电、化学性能以及机械性能。80℃下，跨膜质子传导率达到30.0mS/cm，溶胀度仅为23.0％，均与Nafion115膜(36.0mS/cm，21.0％)相当;拉伸强度达到19.3MPa远高于Nafion115膜;单电池操作的渗氢电流密度为2.37mA/cm2，开路电压达到0.95V，表明TA-PEM致密性优良。其功率密度为295mA/cm2，达到Nafion115膜的1.28倍。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 燃料电池及其发展

1．2 燃料电池优点及分类

1．3 质子交换膜燃料电池

1．3．1 工作原理

1．3．2 关键组件

1．4 质子交换膜

1．4．1 质子交换膜要求

1．4．2 质子交换膜分类

1．5 非氟质子交换膜改性方法

1．5．1 聚合物共混法

1．5．2 无机颗粒掺杂法

1．5．3 交联法

1．6 静电纺丝法

1．6．1 静电纺丝法原理

1．6．2 静电纺丝特点及影响因素

1．6．3 静电纺丝法在质子交换膜中应用

1．7 SPPESK质子交换膜改性研究

1．8 论文选题的意义及研究内容

2 静电纺丝法制备平行有序SPPESK纳米纤维

2．1 实验部分

2．1．1 主要药品及试剂

2．1．2 实验设备及仪器

2．1．3 SPPESK的制备

2．1．4 静电纺丝法制备平行有序SPPESK纳米纤维

2．1．5 不同条件下制备平行有序SPPESK纳米纤维

2．1．6 膜性能表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 纺丝液浓度对平行有序纤维的影响

2．2．2 收集器转速对有序纤维的影响

2．2．3 纺丝电压对有序纤维的影响

2．2．4 纺丝流速对有序纤维的影响

2．3 本章小结

3 SPPESK表面有序纤维复合膜制备及性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 主要药品及试剂

3．1，2 实验设备及仪器

3．1．3 堵孔溶剂选定及优化

3．1．4 SPPESK有序纤维复合膜制备

3．1．5 SPPESK无序纤维复合膜及浇铸膜制备

3．1．6 SPPESK有序纤维复合膜性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 SPPESK有序纤维复合膜形貌

3．2．2 SPPESK有序纤维复合膜堵孔前后离子簇比较

3．2．3 SPPESK有序纤维复合膜吸水率和溶胀度

3．2．4 SPPESK有序纤维复合膜机械性能

3．2．5 SPPESK有序纤维复合膜表面方向质子传导率

3．3 本章小结

4 SPPESK厚度有序纤维复合膜的制备及性能

4．1 实验部分

4．1．1 主要药品及试剂

4．1．2 实验设备及仪器

4．1．3 SPPESK厚度有序纤维复合膜制备

4．1．4 SPPESK厚度有序纤维复合膜的性能测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 厚度有序纤维复合膜纤维制备过程及形态

4．2．2 膜的吸水溶胀性能

4．2．3 表面方向的质子传导率

4．2．4 厚度有序膜的质子传导率

4．2．5 膜的机械性能

4．2．5 质子交换膜的氢气渗透

4．2．6 厚度有序纤维复合膜电池性能

4．3 本章小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢