论文部分内容阅读
21世纪,质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因为其清洁和高效的优点,被认为是最有前途的高科技技术,质子交换膜(PEMs)是燃料电池的主要组成部分。研究者致力于开发出具有高质子传导率、低电子传导性、低甲醇透过性、优异的化学／热稳定性、好的机械性能和低成本的质子交换膜。目前PEMFC使用广泛的是价格昂贵的全氟磺酸膜(Nafion膜),但是其只能在水合状态下有效地运作,并且其甲醇渗透率高。为了解决这些问题,研究者已成功开发了一系列新型质子交换膜,如Nafion膜的改性膜、磺化芳香聚合物膜、交联膜和共混膜。加成型聚降冰片烯膜与Nafion膜相比,其生产成本低,具有好的热稳定性、高的玻璃转化温度和优异的阻醇性,因此被认为更适合可作为直接甲醇燃料电池(DMFCs)质子交换膜材料。本文首先合成带有柔性侧链的降冰片烯单体[5-降冰片烯-2-亚甲氧基-4-己氧基联苯(PhHN)],将其与5-降冰片烯-2-亚甲基丁基醚(BN)进行加成聚合得到加成型共聚物[P(BN/PhHN)],并进一步用硫酸(980%)进行磺化得到磺化共聚物[sP(BN/PhHN)],通过控制磺化时间(8h-20h)来控制磺化度,得到最大磺化度为40%的磺化降冰片烯共聚物[sP(BN/PhHN)-40],其质子传导率在70°C达到3.35×10-3s cm-1,所有磺化聚降冰片烯膜的甲醇渗透率的范围为0.26-6.58x10-7cm2s-1,明显低于Nafion膜(2.36x10-6cm2s-1),透射电镜分析表明这些侧链型膜具有明显的微相分离结构(侧链亲水性和主链的疏水特性),此外这些膜还具有低的吸水率、高的热稳定性和好的机械性能。其次将不同量的磷钨酸(PWA)加入到加成型聚降冰片烯-磺化硅烷偶联剂(PBN-SiO2)的复合体系中,通过酸催化和溶胶-凝胶的方法制备了一系列PBN-SiO2-PWA交联网络杂化膜。膜形成过程中,PWA作为催化剂催化硅氧烷水解,膜一旦形成,分散在膜中的PWA产生的质子在水合状态下可形成水合质子,有效地增加质子传导率。结果表明,Si02粒子和PWA均匀地分布在杂化膜中；含有40wt.%PWA复合膜(PBN-SiO2-PWA40)的质子传导率最高达到了6.1×10-2S cm-1,并随PWA含量的增加和温度的升高而升高；PBN-SiO2-PWA杂化膜的甲醇渗透率为3.52-9.39×10-7cm2s-1,低于商业化Nafion117(2.36×10-6cm2s-1),同时在80℃下,测得电流密度为132.3mA cm-2时有最大的功率为63mWcm-2,此外杂化膜还具有好的热稳定性、机械稳定性和氧化稳定性。表明PBN/SiO2/PWA杂化膜可满足直接甲醇燃料电池对质子交换膜的要求的应用