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基于Nafion膜改性的新型质子交换膜的制备与表征

作　者: 孙琨
导　师: 朱红
学　校: 北京交通大学
专　业: 化学工程
关键词: 质子交换膜燃料电池 Nafion膜 质子电导率 甲醇透过系数 复合膜
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 255次
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内容摘要


质子交换膜燃料电池以氢气或者甲醇作为燃料,通过电化学反应将储存在燃料中的化学能直接转化为电能,能量密度高、环境友好,是一种很有前途的洁净、高效的能源技术。质子交换膜在燃料电池中起着传导质子以及阻隔反应燃料和氧化剂的功能。目前广泛应用的全氟磺酸质子交换膜由于成本高,工作温度低,以及甲醇透过系数高等原因,限制了其产业化应用。本论文针对Nafion膜的缺陷进行改性,以提高Nafion膜的保水能力,改善Nafion膜的阻醇性能和降低成本为主要目标,研究和制备了多种新型复合膜,获得以下创新性成果:采用掺杂亲水无机物的方法改性Nafion膜,首次制备了Nafion/钛酸钠纳米管复合膜和Nafion/皂土插层复合膜。SEM和XRD表明无机物在膜内分布均匀,没有发生团聚。着重考察了复合膜的含水率随温度和无机物掺杂量的变化趋势及含水率对质子电导率的影响。实验证实复合膜具有优异的保水性能,含水率的升高改善了膜的导电性能,使复合膜在高温下的电导率增幅明显加大。采用共混法制备了Nafion/PVDF共混膜和Nafion/SPSF共混膜。着重考察了共混膜的甲醇透过系数随温度和聚合物掺杂量的变化趋势及含水率和溶胀度等物化性能。利用隔膜扩散法测定甲醇透过系数,结果表明PVDF和SPSF的加入显著改善了共混膜的阻醇性能,与Nafion膜相比甲醇透过系数下降了约1个数量级。首次制备了Nafion/Na2Ti3O7/H-PTFE复合膜和Nafion/CNFs复合膜。着重考察了复合膜的机械性能和质子电导率。由于增强体的增强作用使得复合膜显著提高了机械性能和抗溶胀能力,可以通过减少Nafion树脂的用量达到降低成本的目的。其中Nafion/CNFs复合膜的质子电导率与Nafion膜相当。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-29
  1.1 燃料电池(FC)  11-15
    1.1.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)  12-13
    1.1.2 直接甲醇燃料电池(DMFC)  13-15
    1.1.3 PEMFC和DMFC对质子交换膜的要求  15
  1.2 质子交换膜的研究进展  15-21
    1.2.1 全氟磺酸型质子交换膜  16-18
    1.2.2 部分含氟型质子交换膜  18-19
    1.2.3 非氟型质子交换膜  19-21
  1.3 基于Nafion膜改性的研究概况  21-27
    1.3.1 Nafion膜的缺陷及改性思路  21-22
    1.3.2 等离子体改性Nafion膜  22-23
    1.3.3 共混改性Nafion膜  23-24
    1.3.4 掺杂无机物改性Nafion膜  24-25
    1.3.5 复合改性Nafion膜  25-27
  1.4 本论文的选题与研究内容  27-29
2 质子交换膜的表征和性能测试装置与方法  29-34
  2.1 膜的物化性能表征  29-33
    2.1.1 质子电导率的测定  29-30
    2.1.2 甲醇透过系数的测定  30-32
    2.1.3 含水率的测定  32
    2.1.4 溶胀度的测定  32
    2.1.5 拉伸性能的测定  32-33
  2.2 膜的结构与微观形态的表征  33-34
    2.2.1 扫描电镜分析  33
    2.2.2 X-射线衍射分析  33
    2.2.3 红外光谱分析  33-34
3 掺杂亲水无机物改性Nafion膜的研究  34-50
  3.1 Nafion/钛酸钠纳米管新型复合膜  34-43
    3.1.1 实验部分  34-35
    3.1.2 结果与讨论  35-43
    3.1.3 结论  43
  3.2 Nafion/皂土插层复合膜  43-49
    3.2.1 实验部分  43-44
    3.2.2 结果与讨论  44-49
    3.2.3 结论  49
  3.3 本章小结  49-50
4 添加阻醇聚合物改性Nafion膜的研究  50-65
  4.1 Nafion/聚偏氟乙烯共混膜  50-56
    4.1.1 实验部分  50
    4.1.2 结果与讨论  50-56
    4.1.3 结论  56
  4.2 Nafion/磺化聚砜共混膜  56-64
    4.2.1 实验部分  56-58
    4.2.2 结果与讨论  58-63
    4.2.3 结论  63-64
  4.3 本章小结  64-65
5 增强体复合改性Nafion膜的研究  65-77
  5.1 Nafion/钛酸钠纳米管/改性聚四氟乙烯新型复合膜  65-71
    5.1.1 实验部分  65-66
    5.1.2 结果与讨论  66-70
    5.1.3 结论  70-71
  5.2 Nafion/碳纳米纤维复合膜  71-76
    5.2.1 实验部分  72
    5.2.2 结果与讨论  72-76
    5.2.3 结论  76
  5.3 本章小结  76-77
6 结论  77-79
参考文献  79-83
作者简历  83-85
学位论文数据集  85

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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