论文部分内容阅读
质子交换燃料电池(PEMFC)作为一种清洁、高效的能量转换装置,可以在常温启动、启动时间短且可在低温范围工作,被认为是最有潜力应用在交通和电站的第五代燃料电池。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件,起着隔绝燃料和质子传导的作用,因此,膜的性能直接影响电池的使用性能。目前商业化的Nafion膜,由于成本高,甲醇渗透系数高,高温下质子传导率低的缺点受到了应用的限制。因此,开发能替代Nafion膜的质子交换膜材料十分必要。磺化聚芳醚砜类聚合物由于良好的热稳定性和机械性能,是有望成为质子交换膜材料的聚合物之一。但其磺化度高时膜尺寸性差,高温时质子传导率低等缺点使其很难应用于中高温质子交换膜燃料电池。基于N杂环型磺化聚合物作为质子交换膜材料,其优点是可作为质子载体,使膜可以在较高温或低湿度下具有高的质子传导率。N杂环中含有的N原子既可以充当质子载体又可以充当质子受体,起到质子传导的作用。使其有望应用于质子交换膜燃料电池和甲醇燃料电池。基于以上聚合物的优缺点,本论文从分子设计的角度出发,采用直接缩聚的方法,利用已制备的1,3,4-噁二唑单体,合成一系列磺化度可控的含噁二唑环的磺化聚芳醚砜共聚物,将N杂环固定在聚合物中,防止因物理复合方法引入氮杂环引起的杂环脱落的问题,也避免了在后磺化过程中可能产生的降解和交联。通过红外光谱和核磁测试证明了共聚物膜的结构。通过对共聚物膜性能的测试表明,噁二唑引入到聚合物中改善膜的甲醇渗透率,质子传导率在120℃下可达到0.075Scm-1高于Nafion膜0.062Scm-1。为了进一步降低膜的甲醇渗透系数,本文利用制备复合膜的方法,将磺化聚芳醚酮砜和含噁二唑的聚芳醚砜聚合物通过共溶剂进行复合。通过红外、热重研究了复合膜的结构及热稳定性。通过膜的性能测试表明,复合后膜的甲醇渗透系数在常温下为0.027×10-6cm-2/s～0.040×10-6cm-2/s远低于SPAEKS膜的0.085cm2/s。在低温下,复合膜质子传导率虽低于SPAEKS,但在120℃下复合膜的质子传导率达到0.074Scm-1高于SPAEKS膜的0.0654Scm-1,可以满足中高温下操作下质子交换膜燃料电池及甲醇燃料电池的应用要求。