高性能磺化聚酰亚胺质子交换膜材料的制备与性能研究

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1、分类号TB学校代码10590UDC31密级公开深圳大学硕士学位论文高性能磺化聚酰亚胺质子交换膜材料的制备与性能研究学位申请人姓名张伯平专业名称材料科学与工程学院（系、所）材料学院指导教师姓名王雷教授摘要质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接将燃料的化学能转变为电能，是一种高效清洁的能源装置，被认为是具有革命意义的新一代能源动力系统。PEMFC的核心部件是质子交换膜(PEM)，其各项性能将直接影响燃料电池的总体性能，开发低成本、高性能的质子交换膜对PEMFC的发展和广泛应用具有重要意义。磺化聚酰亚胺(SPIs)凭借其卓越的热稳定性、机械性能和燃料阻隔率，成为一

2、种非常有发展前景的质子交换膜材料。然而，酰亚胺环的化学稳定性在燃料电池运行环境中并不理想，提升磺化聚酰亚胺质子交换膜的化学稳定性是该研究领域的热点。近年来，多种增强SPI化学稳定性的方法被报导，如改变化学结构、将膜进行交联，但这些方法在实际应用时仍存在一些问题，需进一步的改进。在本课题组近期的研究中发现，高支化结构可以有效的提升磺化聚合物质子交换膜的化学稳定性，而且可以在一定程度上增加膜材料的电导率。本论文在课题组近期研究成果的指导下，针对磺化聚酰亚胺质子交换膜发展中存在的问题，制备了多种磺化聚酰亚胺质子交换膜，并对它们的各项性能进行了研究，具体研究内容与结果

3、如下：1)以商业化的单体为原料，制备了四类不同结构、不同支化度的磺化聚酰亚胺质子交换膜，研究了非磺化二氨单体和支化结构对质子交换膜的各项性能的影响。结果表明，支化结构的引入可以增强膜的氧化稳定，增强程度与聚酰亚胺本身的化学结构有关；在刚性较强的主链结构中，引入支化结构对膜的电导率有明显提升；但支化结构的引入对膜的机械性能是不利的。2)针对支化磺化聚酰亚胺质子交换膜机械性能下降的问题，本论文又设计制备出含支化结构的交联磺化聚酰亚胺质子交换膜。通过在主链引入高支化结构可以弥补交联型磺化聚酰亚胺质子交换膜电学性能差的问题，并进一步增强膜的化学稳定性，还同时使膜材料具

4、备优秀的机械性能。更重要的是，在电池测试中，这种膜材料展示出优异的功率密度，其功率密度最高值比直接交联型膜提高了24%。本工作将为制备高电学性能交联型质子交换膜材料提出一种新的思路。3)交联型磺化聚酰亚胺不能溶解，给成型加工造成困难，针对这一问题，本论文又设计并合成了一种侧链含有甲氧基硅烷的磺化聚酰亚胺，制备成薄膜后，膜可溶解并可多次溶解并重复制备薄膜；并最终在酸化时同时发生交联反应。结果表明，使用这种方I式制备的薄膜，其化学稳定性大幅提高且电导率下降较低，同时其甲醇阻隔率也有明显提升。在直接甲醇燃料电池测试中，用这种方法制备的薄膜功率密度仅少量下降，且远高于

5、商业化Nafion212膜。关键词：燃料电池；质子交换膜；磺化聚酰亚胺；化学稳定性IIAbstractProtonexchangemembranefuelcells(PEMFCs)haveattractedconsiderableattentionforahighefficienciesandenvironmentallyfriendlyenergysystem.OnekeyconstituentofaPEMFCsystemisthepolymerelectrolyte/exchangemembrane(PEM)whichdirectlyaffectsthep

6、erformanceoffuelcell.Aromaticpolyimideisastarpolymerpossessedhighermechanicalproperty,excellentthermaldimensionalstabilityandsuperiorchemicalresistance,whicharesimilaridealforPEMFCapplications.However,highsulfonicacidoftencausesexcessivedegradationofthesulfonatedpolyimide(SPI)membra

7、nesinwater,especiallyathightemperatures.Tosolvethisproblem,severalmethodshavebeenappliedtoimprovethepropertiesofSPIs,suchaschangingchemicalstructuresandcross-linking.Inrecentworkbyourgroupproposed,thehighlybranchedsulfonatedpolymerexhibitedconsiderablechemicalstabilityandhighprotonc

8、onductivity.Inorder