论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是具有能量效率高、安静和环保特性的新型电力动力源，质子交换膜（PEM）是PEMFC的核心部件，它具有隔离阴阳两电极燃料、传递质子和绝缘电子的作用，是PEMFC研究的核心。目前，已商业化的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜，它因合成成本高、质子传递依赖于水的存在等缺点，限制了它在燃料电池领域的大规模应用。而磷酸掺杂聚苯并咪唑（PBI）膜在高温下具有优良的热化学稳定性、良好的力学性能和在高温低湿条件下具有高的质子传导率，价格一般为Nafion膜的10%，具有在中高温燃料电池领域规模化使用的潜力。本文从合成新型聚苯并咪唑的芳香四胺单体出发，采用溶液缩聚法，将芳香四胺与二元羧酸和三元羧酸等反应，通过调节二元酸与三元酸的投料比，制备了未曾报道过的PBI类聚合物，并进行了成膜研究及燃料电池性能测试。本文具体研究内容如下：1、选择4,4’-二氨基二苯醚（DADPE）为合成3,3’,4,4’-四氨基二苯醚（TADPE）的起始原料，主要通过乙酰化反应（氨基保护）、硝化反应、酸水解反应、还原反应和中和反应等五步反应制得。为提高目标产物的产率，对还原反应的条件进行了优化：采用SnCl2+HCl还原体系，n（硝基物）:n（SnCl2）=1:12,80℃，6h，总产率高达75.1%。其结构通过傅里叶红外光谱图、核磁氢谱谱图证实。2、采用溶液缩聚法，将TADPE与2,5-吡啶二甲酸（2,5-PDA），2,6-吡啶二甲酸（2,6-PDA）、均苯三酸（TMA）作为聚合单体，其中TMA也充当交联剂，以多聚磷酸（PPA）为溶剂，氮气氛围下，机械搅拌，采用程序升温法，制备了未曾报道过的新型2,5-pPBI-TMA-X（X=0,2.5,5.0,7.5,10）和2,6-pPBI-TMA-X（X=0,2.5,5.0,7.5,10）聚合物。对聚合条件进行优化：室温30min，50℃2h，100℃3h，130℃4h，160℃5h，190℃10h。聚合物的结构通过傅里叶红外光谱得到确认。并对其进行了黏度、溶解性和热稳定性等表征。研究表明醚链的引入增强了聚合物的溶解性，且2,6-pPBI-TMA-X（X=0,2.5）相对2,5-pPBI-TMA-X（X=0,2.5）溶解性较好。3、对所合成的聚合物进行加工性研究。本文主要采用溶液流延成膜法成膜，成功制备了未曾报道的2,6-pPBI膜和2,6-pPBI-TMA-2.5膜（交联膜），并对其进行不同浓度的磷酸掺杂，测试其磷酸掺杂率、溶胀率、机械性能、抗氧化性和形貌等。测试表明：2,6-pPBI-TMA-2.5膜相对2,6-pPBI膜在高温下具有更高的质子传导率、良好的机械性能和良好的抗氧化性。2,6-pPBI-TMA-2.5膜的最大储存模量为2.068GPa，而2,6-pPBI膜的最大储存模量为1.352GPa，说明交联膜具有相对好的机械性能；2,6-pPBI-TMA-2.5膜在80%PA，170℃条件下质子传导率为0.053S·cm-1，能应用于中高温燃料电池，具有潜在的应用前景。