含n杂环磺化聚芳质子交换膜材料之制备与性能分析

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1、含N杂环磺化聚芳质子交换膜材料之制备与性能分析第一章文献综述1.1引言能源作为人类生存和发展的物质基础，与人类生活水平的提高息息相关，然而，随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染等问题日渐突出，能源供需矛盾日益加重。当前，大部分国家的能源消耗均以石油和天然气为主，但是随着能源消耗的日益增加及石油的加速枯竭，因此，提高能源利用率和发展替代能源成为了21世纪的主要议题。太阳能、风能、核能、生物燃料以及氢能被认为是最可能的替代能源，其易得到，环境友好等优点得到了极大的关注。目前化石原料主要通过热机转化为功进行

2、利用，这种方式的能源利用率低，一般低于30%，且燃烧时产生大量的有害气体和微小颗粒，会给自然环境造成极大的破坏。燃料电池_作为一种清洁的能量转换装置，从问世以来就受到了世界的广泛关注。燃料电池避免了卡诺循环的制约，使其能量转换效率提高，可达到40%-60%，而且对环境基本不产生负面影响；由于其体积小还可用于任何地方方便的使用[4]。发达的国家认为氢能是20世纪最绿色环保的能源，而燃料电池最好的燃料为氢。质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefoelcell)[5]作为新型燃料电池，其优点

3、是效率高，阻抗小，体积小，在移动便携设备（如，，电脑）中被广泛研究。1.2燃料电池概述由于燃料电池的名字中带有电池二字，很容易让人认为其是与干电池或充电电池一样能够储存电能的装置，但实际上燃料电池并不能储存电能。燃料电池是能量转换装置，通过一次转化将化学能转变为电能，这个过程也称为直接转化，而且使用的燃料及氧化剂储存在电池外部[6]。另外，当普通电池的能源耗尽，电池的生命也随之结束，不能继续供电，而燃料电池只要燃料充足就可以源源不断的向外供电。所以说燃料电池更接近于内燃发电机以及构造不同的小规模火力发电厂[7]。

4、1.2.1燃料电池的结构与工作原理燃料电池按照电化学原理即原电池原理进行工作，与水的电解互为可逆反应（如Fig1.1)。燃料电池主要由电极、电解质、双极板及外部电路组成。燃料气从阳极燃料室进入，在催化层被氧化，阴极空气室完成还原反应，形成一个回路，可以向外供电，主要类型的燃料电池的结构和工作原理[8，9]如Figurel.2。1.2.2燃料电池的优点因燃料电池拥有突出的优点，其相关技术的探索和研发随之得到广泛发展，被公认是21世纪首选的绿色、高效的发电技术。尤其是在燃料电池将储蓄的化学能直接转换成电能的过程中不受

5、卡诺循环的约束，对于作为家用汽车动力源和家用电源备受期待的聚合物电解质燃料电池，在相对低温（80°0下，发电效率也能超过35%，这是燃料电池最大的特点；此外，燃料电池工作过程中基本不产生对环境有污染的氧化物，C02的排放量可以减少40%以上，属于环境友好型技术。1.2.3燃料电池的类型与应用研究最广泛的燃料电池，根据使用电解质的不同可分为五大类:(i)质子交换膜燃料电池(PEMFC)，（ii)碱性燃料电池(AFC)，（iii)憐酸型燃料电池(PAFC)，(iv)溶融碳酸盐型燃料电池（MCFC)，（V)固体

6、氧化物型燃料电池（SOFC)，五种类型的燃料电池都是根据相同的电化学原理，但由于操作温度不同，材料组成不同等因素使得它们表现的特性有所差别。具体燃料电池的技术状态列于Table1.1。有时燃料电池也按使用温度的不同进行分类，可分为低温燃料电池(PEMFC和DMFC)、中温燃料电池（100-300°C，AFC和PAF)和高温燃料电池(600-1000°C，SOFC和MCFC)。第二章含嚼二挫环的磺化聚芳醚砜的制备与性能研究2.1引言目前，应用最广泛的DuPond公司生产的Nafion质子交换膜，拥有

7、高的质子传导率、优良的化学稳定性及机械性能[4547]。但是Nafion膜的质子传导率严重依赖于水的存在，膜中水含量会急剧下降导致质子传导率降低，另外其甲醇渗透率高，这些不足也限制了Nafion进一步的发展。基于此，大量的研究者们幵始关注和开发杂环化合物[5e-52]。聚（1,3,4-嚼二挫）类聚合物具有好的热性能和化学性能。由于通常共辄结构有利于电子离域，并且嚼二唾环有亲电性，使其在气体分离[53]以及有机光致材料[54_55]等领域得到了应用，近几年来研究者们也开始关注其在质子交换膜领域的应用。目前研究聚嚼二

8、挫聚合物大多都是利用后磺化的方法引入磺酸基团，这种方法可以提高磺化度，但是磺化时间和合适的磺化剂很难确定和选择。目前研究的杂环如苯并咪唾，咪挫等在质子传导率上都有所提高，如在200°C下利用咪唾作为载体，质子传导率可达到7xl04Scm，但利用咪唾掺杂制备复合膜的方法，咪唑易脱落，且当咪挫含量高时会形成结晶，阻塞质子传输通道。所以本论文从单体设计出发，采用直接缩聚