dmfc用阻醇质子交换膜的研究

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1、DMFC用阻醇质子交换膜的研究Studyonmethanol—rejectiveprotonexchangemembranesforDMFC硕Ij学位论文学科专业：化学工艺研究生：郑晓红指导教师：姜忠义教授天津大学化工学院二零零八年六月摘要直接甲醇燃料电池(DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。目前，燃料电池中广泛使用的全氟磺酸质子交换膜(Nation@)主要存在两个缺点：一是甲醇透过率高，即膜的阻醇性能较差；二是价格昂贵。因此新型高效阻醇质子交换膜的研制成为DMFC领域的重要课题。考虑到质子、水和甲醇在D

2、MFC膜中传递相互制约性，本研究将目标膜视为优先透过质子的质子一甲醇分离膜。借鉴膜分离过程的溶解扩散机理来设计和选择阻醇膜材料，进行阻醇质子交换膜的研制。本研究采用阻醇性能良好的聚阳离子电解质壳聚糖(CS)与含有大量-COOH与-S03H基团的聚阴离子电解质聚(丙烯酸_2一丙烯酰胺基_2一甲基丙磺酸)(P(AA．AMPS))共混制备了离子交联结构的互穿网络型CS／P(AA．AMPS)聚电解质膜。随着P(AA．AMPS)含量的增加，共混膜的甲醇渗透率降低，质子传导率升高。P(AA．AMPS)在膜中具有离子交联和质子导体的双重作用。P(AA．AMPS)含量为41％的CS／P(AA．A

3、MPS)聚电解质膜的甲醇渗透率为2．41×10-7cm2／s，为Nation@117膜甲醇渗透率的l／15，其质子传导率高达3．59x10-2S／cm。从而CS／P(AA．AMPS)膜的综合性能评价指标(卢=∥尸)显著增加，最高达到15．O×104Ss／cm3，为Nation@117膜的8倍。本研究采用氨基三亚甲基膦酸(ATMP)、乙二胺四亚甲基膦酸(EDTMP)和己二胺四亚甲基膦酸(HDTMP)三种有机膦酸(organophosphorusacid，OPA)，掺杂在阻醇性能良好的聚乙烯醇／壳聚糖(polyvinylalcohol／chitosan，PVA／CS)共混高分子中，制

4、备了OPA掺杂的共混膜。结果表明，OPA掺杂PVA／CS共混膜的质子传导能力得到显著提高，是未掺杂OPA的PVA／CS共混膜的2-4倍，与Nation@117膜的质子传导率(5．04x10之S／cm)相当。ATMP，EDTMP以及HDTMP掺杂量最高时，OPA掺杂共混膜的质子传导率分别达到最高，为3．58x10～、3．51×10以、2．61X10‘’S／cm。EDTMP掺杂的PVA／CS膜的甲醇渗透率在EDTMP含量为13．9％达到最低值2．32x10-7cm2／s，为Nation@117膜的1／16。同时，ATMP，EDTMP与HDTMP掺杂PVA／CS共混膜的综合性能指标均有

5、明显提高。此外，共混膜的热稳定性与氧化稳定性也有显著提高。关键词：直接甲醇燃料电池，阻醇质子交换膜，质子传导率，甲醇渗透率ABSTRACTDirectmethanolfuelcell(DMFC)hasattractedconsiderableattentionasanalternativetothepresempowersourcesduetoitshighefficiency,highpowerdensity,lowemissionsandeasyfuelstorageandtransportationeta1．PolyperfluorosulfonicacidionomerN

6、ation@hasbeenintensivelyusedinDMFC．However，atpresent，two“high”drawbacks，highmethanolcrossoverandhighcost，limititswideapplicationsinDMFC．Anovelhi曲performanceprotonexchangemembranewithreducedmethanolcrossoveristhetargetforDMFCmembrane．Recognizingthecouplingnatureofproton，waterandmethanoltranspo

7、rt，weanalogizedthedesiredprotonexchangemembrane(PEM)toaprotonpreferentialproton—methanolseparationmembrane．Therefore，theoriesandexperiencesfromthefieldofmembraneseparation，especiallythosefrompervaporationwereborrowedtothisworktodevelopthemeth