燃料电池用橡胶基质子交换膜的制备与性能表征

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一项21世纪开发清洁高效发电设备的较有前景的技术，而质子交换膜是PEMFC中的重要组成部分。本文通过在橡胶混炼硫化过程中原位改性的方法，在橡胶交联结构中引入磺酸基团，成功制备了质子电导率高、甲醇渗透率低、填料分散性好的橡胶基质子交换膜材料。
　　 本实验选用苯乙烯磺酸钠(NaSS)作为反应性填料，双25作为过氧化物交联剂，实验初期选取了顺丁橡胶(BR)、氯磺化聚乙烯(CSM)等几种橡胶作为基体，对比几种橡胶的结构式以及通过偏光显微镜(POM)、透射电子显微镜(TEM)表征和电导率测试结果发现NaSS在CSM中分散性和反应性最好，故选用CSM作为橡胶基体。实验中使用红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和TEM表征了CSM/NaSS质子交换膜的性能。研究了过氧化物引发剂和NaSS的用量对CSM/NaSS质子交换膜的质子电导率、离子交换容积(IEC)、吸水率和甲醇渗透率的影响。
　　 经过各种表征发现双25含量为8phr时的电导率相对于14phr的较高，IEC的值相对较高，侧面也说明NaSS在双25为8phr时在CSM中的接枝率较高。当双25含量分别为8份和14份时，膜的质子电导率会随着NaSS的含量的增加而增加，最高可以达到2.53×10-2s·cm-1。
　　 该技术采用在橡胶硫化过程中成膜的方法，橡胶硫化过程中形成的交联结构即提高了膜的尺寸稳定性，热稳定性和化学稳定性又降低了甲醇渗透率。与目前应用较为广泛的全氟磺酸质子交换膜相比，该技术具有成本低、工艺简单、磺化度可控、磺化均匀、操作安全性好和综合性能优异等优点。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 燃料电池技术

1．2．1 燃料电池的发展历程

1．2．2 燃料电池的分类

1．3 质子交换膜燃料电池的介绍

1．3．1 直接甲醇燃料电池的结构和工作原理

1．3．2 质子交换膜燃料电池的应用

1．4 质子交换膜燃料电池的关键组件

1．5 质子交换膜

1．5．1 质子交换膜的主要作用

1．5．2 质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的技术要求

1．5．3 质子交换膜的质子传导机理

1．5．4 质子交换膜的分类

1．5．5 质子交换膜的改性

1．5．6 质子交换膜的制备方法

1．6 本论文的选题意义

1．7 本课题的研究内容和创新之处

第二章 橡胶基质子交换膜的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验原料

2．3 实验仪器及设备

2．4 实验思路的提出

2．5 实验选用的橡胶基体

2．6 实验步骤

2．7 结构与性能的表征方法

2．7．1 质子交换膜的含水率的测定(water uptake)

2．7．2 电化学阻抗法测量质子交换膜的电导率

2．7．3 甲醇渗透率的测试

2．7．4 离子交换容积(IEC)

2．7．5 质子交换膜的热稳定性的测量

2．7．6 扫描电子显微镜分析(SEM)

2．7．7 红外光谱测试(FT-IR)

2．7．8 X射线衍射分析

2．7．9 透射电子显微镜

第三章 结果与讨论

3．1 NaSS的表征

3．2 橡胶基体的选择

3．2．1 NaSS在不同橡胶基体中分散的TEM图

3．2．2 NaSS在不同橡胶基体中分散的POM图

3．2．3 NaSS分散在不同橡胶基体中后制备的复合膜的质子电导率

3．3 NaSS晶体在CSM基体中的原位聚合行为的研究

3．4 过氧化物引发剂(D25)用量对质子交换膜性能的影响

3．4．1 实验配方

3．4．2 硫化性能

3．4．3 质子电导率、吸水率和IEC测试

3．4．4 FT-IR表征

3．4．5 形貌表征

3．5 NaSS用量影响

3．5．1 电导率、IEC和甲醇渗透率

3．5．2 微观形貌分析

3．5．3 热性能分析

3．6 预聚法制备的CSM/NaSS复合膜的性能

第四章 结论

参考文献

致谢

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