环氧基树脂交联的含氟聚苯并咪唑高温质子交换膜的制备及其性能研究

摘要

高温(＞100℃)工作下的质子交换膜燃料电池的优点包括:催化剂对燃料中的杂质如CO耐受性高、较高的电化学反应速率、简化水热管理系统等优点，因此具有良好的应用前景。其中磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑膜(PBI)以其高的电导率、优良的机械性能及低廉的成本对推动高温质子交换膜燃料电池的发展起到了重要的作用。磷酸掺杂的质子交换膜的电导率受膜的磷酸掺杂水平(ADL)决定，即酸掺杂水平越高，电导率越高;但同时过高的磷酸掺杂量会导致PBI膜机械性能降低。目前研究如何同时提高电解质膜材料的电导率和视械性能，已成为促进高温质子交换膜燃料电池进一步发展的关键科学问题之一。
　　交联是提高磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜力学强度的有效方法。含氟聚苯并咪唑(F6PBI)在有机溶剂中有良好的溶解性，且具有优异的化学和热稳定性，室湿下具有良好的机械性能，但在高温下机械性能显著下降，尤其是高磷酸掺杂水平下的塑性变形妨碍了其在燃料电池中的实际应用。
　　本研究采用共价交联的方法，以双酚A二缩水甘油醚(C21H24O4，BDE)、双酚丙氧杂酸二缩水甘油基醚（C27H36O6，BPDE）、聚乙二醇二缩水甘油醚(C3H5O2-(C2H4O)n-C3H5O，PEGDE)为交联剂与F6PBI在温和条件下交联，制备了三种不同交联结构的交联度分别为5％、10％和20％的环氧基树脂交联的含氟PBI膜，即X-F6PBI膜(X=BDE、BPDE、PEGDE)。性能测试结果显示，三类环氧基树脂交联的含氟PBI膜具有良好的热稳定性和优良的机械性能，满足高湿质子交换膜燃料电池的需求。其中10％PEGDE-F6PBI/14.0PA在180℃电导率为0.065Scm-1;高温130℃时的机械性能为2.0MPa，断裂伸长率为43.4％;180℃电池性能测试的峰值功率密度为409mWcm-2，工作电压为0.51V时，电流密度为669mAcm-2。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章 绪论

1．1 燃料电池

1．2 高温质子交换膜

1．3 聚苯并咪唑(PBI)类高温膜材料

1．3．1 磷酸掺杂的聚苯并咪唑导电机理

1．3．2 PBI的结构改性及聚合物的制备

1．3．3 PBI膜的交联

1．3．4 六氟异丙基聚苯共咪唑(F6PBI)的研究进展

1．4 课题研究的意义和内容

第二章 膜材料的合成及分析表征方法

2．1 实验仪器与药品

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．2 环氧基树脂交联的含氟PBI膜的制备

2．2．1 F6PBI聚合物的合成

2．2．2 环氧基树脂与含氟PBI的交联反应及膜的制备

2．3 环氧基树脂交联的含氟PBI膜的表征与性能研究

2．3．1 F6PBI聚合物粘度的测定

2．3．2 膜在有机溶剂DMAC中的溶解性

2．3．3 红外光谱表征

2．3．4 热稳定性

2．3．5 抗氧化性

2．4 磷酸掺杂的环氧基树脂交联的含氟PBI膜的性能研究

2．4．1 溶胀性和酸掺杂水平

2．4．2 机械性能

2．4．3 电导率

2．4．4 电池性能测试

第三章 环氧基树脂交联的含氟PBI及其膜性能研究

3．1 环氧基树脂交联的含氟PBI膜的制备与性能研究

3．1．1 在有机溶剂DMAC中的溶解性

3．1．2 傅里叶变换红外光谱表征

3．1．3 热稳定性

3．1．4 抗氧化性

3．2 磷酸掺杂的环氧基树脂交联的含氟PBI膜的性能研究

3．2．1 溶胀性和酸掺杂水平

3．2．2 机械性能

3．2．3 电导率

3．2．3 电池性能

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文