直接甲醇燃料电池中质子交换复合膜的研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)以其卓越的性能成为目前发展速度最快且应用前景最广的一类燃料电池。作为DMFC中的关键部件，质子交换膜成为国内外众多研究者关注的对象。制备质子传输能力强，阻醇性能好，且适宜在高温条件下使用的新型膜是目前研究的一个热点。 本论文分别以聚乙烯醇(PVA)和磺化聚醚醚酮(SPEEK)两种有机聚合物膜为基础，对磷钨酸(PWA)、纳米氧化铝、3A分子筛活化粉等无机粒子改性得到的有机-无机质子交换复合膜进行了研究。 PVA膜中复合PWA能够明显地提高膜的质子传输能力，使膜的电导率由3.8×10-4Scm-1提高到22.0×10-4Scm-1。电镜照片显示少量纳米氧化铝、3A分子筛活化粉的加入，可以在PVA膜中得到均匀的分散，对膜保持磷钨酸能力的提高有着积极作用，从而可以在一定程度上提高膜的电导率。使用草酸对聚乙烯醇进行交联，能够更有效的提高膜的电导率，使膜的电导率由交联前的3.65×10-4Scm-1提高到53.1×10-4Scm-1，增加了十倍以上。含浸硫酸的PVA-PWA复合膜有着很高的电导率，可以达到0.24Scm-1，但膜中的硫酸含量不易保持，而且硫酸的加入可能对现有的DMFC性能有不利的影响。 SPEEK分子中具有磺酸基团，对质子有着很好的传输性能。少量纳米氧化铝的加入可以在一定程度上提高膜的电导率，使膜的电导率由2.91×10-2Scm-1增加到4.06×10-2Scm-1。将3A分子筛活化粉掺杂在SPEEK膜中制得复合膜，发现3A分子筛并不能与SPEEK有机体有效结合，造成磷钨酸更容易从膜中流失。为提高无机组分与SPEEK的亲和性，论文使用溶剂插层法对皂土进行有机改性，进而掺杂在SPEEK中制成复合膜，发现少量皂土的加入提高了膜的电导率。 交联PVA膜和SPEEK膜有着很好的阻醇性，其甲醇渗透系数分别为2.60×10-7cm2s-1、3.60×10-8cm2s-1，加入无机组分后，膜的阻醇性均有所下降，但还是优于Nafion膜，后者的甲醇渗透系数为13.0×10-7cm2s-1。 PVA膜和SPEEK膜中加入3A分子筛、纳米氧化铝等无机粒子之后，热重分析发现膜的热稳定性得到不同程度的提高，使得膜有望在较高的温度条件下使用。

目录

文摘

英文文摘

学位论文版权使用授权书及同济大学学位论文原创性声明

第1章质子交换膜的研究综述

第2章质子交换膜的原料和测试方法

第3章聚乙烯醇类复合质子交换膜

第4章磺化聚醚醚酮类复合质子交换膜

第5章结论和展望

符号说明

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果