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聚乙烯基膦酸电解质膜的制备

2020-12-20 11:10编辑: www.51jrft.com51今日论文网
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为可以替代目前电力来源的一种新能源受到了广泛的关注,因为它具有低温启动,高效,无污染等特点。质子交换膜作为PEMFC的核心部件,性能的好坏会影响电池的性能。本文采用自由基聚合的方法合成了聚乙烯基膦酸,并选用丁二酸对聚乙烯醇(PVA)改性,用共混的方法制备出聚乙烯基膦酸质子交换膜。同时考察了不同PVPA掺杂量下聚乙烯基膦酸质子交换膜的电导率和甲醇渗透率的变化。实验发现电导率和甲醇渗透率都随着PVPA量的增加而增加,在PVA:PVPA为1:1.25时电导率达到13.78×10-3S•cm-1,已经接近nafion117膜,而甲醇渗透率却远不如nafion117膜。关键词 质子交换膜,聚乙烯基膦酸,电导率,甲醇渗透率目 录
1 引言 1
1.1 燃料电池概述 1
1.2 燃料电池的分类 1
1.3 质子交换膜燃料电池(PEMFC) 2
1.3.1 PEMFC的工作原理 2
1.3.2 PEMFC的优缺点 3
1.4 聚乙烯基膦酸(PVPA)电解质膜 4
2 实验部分 4
2.1 实验药品及仪器 4
2.1.1 主要实验药品 4
2.1.2 实验仪器 5
2.2 聚乙烯基膦酸的合成 5
2.2.1 实验步骤 6
2.2.2 产物聚乙烯基膦酸的分子量测定 6
2.3 聚乙烯基膦酸电解质膜的制备 7
2.4 表征和测试方法 8
2.4.1 电导率的测定 8
2.4.2 甲醇渗透率的测定 9
2.4.3 傅里叶变化衰减全反射红外光谱分析(ATR-FTIR) 11
3 结果与讨论 12
3.1 聚乙烯基膦酸膦酸合成条件 12
3.1.1 引发剂用量的影响 12
3.1.2 反应温度的影响 14
3.2 PVPA分子量的测定 15
3.3 ATR-FTIR光谱分析 17
3.3.1 考察PVA和丁二酸交联反应 17
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IR) 11
3 结果与讨论 12
3.1 聚乙烯基膦酸膦酸合成条件 12
3.1.1 引发剂用量的影响 12
3.1.2 反应温度的影响 14
3.2 PVPA分子量的测定 15
3.3 ATR-FTIR光谱分析 17
3.3.1 考察PVA和丁二酸交联反应 17
3.3.2 考察先加入PVPA和后加入PVPA对成膜的影响 18
3.3.3 考察PVPA的掺杂量对成膜的影响 18
3.4 电导率的测定 19
3.5 甲醇的渗透率 23
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
1 引言
1.1 燃料电池概述
燃料电池(fuel cell)是一种将燃料和氧化剂中的化学能连续不断的转换为电能的电化学装置。和传统的内燃机不同,燃料电池由于不受卡诺循环的限制,不经过热机过程,等温地按电化学方式直接将化学能转换成电能,因此能量转化效率可高达40%~60%。所以,燃料电池被认为是继火力,水力和核能发电的第四代发电技术。此外,燃料电池主要是以H2和O2作为燃料,几乎不排放二氧化碳、氮氧化物和硫化物,是公认的21世纪首选的高效和清洁的发电技术。总之,作为“低碳时代”的新型绿色能源,燃料电池正在迅速地发展和推广。
1.2 燃料电池的分类
目前,科学家们已经研发出很多的燃料电池,其分类标准也很多,例如使用操作条件的不同,燃料电池的结构等[1]。燃料电池系统中的变量也非常多,比如电解质的类型,通过电解质的传递离子类型、主要反应物(燃料和氧化剂)的种类、操作温度和压强、直接或间接使用原料等等。通常,燃料电池会按照电解质的性质来区分,分为下面五种:
(1)碱性燃料电池(Alkaline fuel cell,AFC),采用的是碱性溶液电解质,如氢氧化钾。
(2)磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell,PAFC),采用的是酸性电解质,如磷酸。
(3)聚合物电解质膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membranes Fuel Cell,PEMFC),采用的是聚合物膜为电解质,如质子交换膜。
(4)熔融碳酸盐燃料电池(Molten carbonate fuel cell,MCFC),采用的是熔融状态下的碱金属碳酸盐为电解质。
(5)固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC),采用的是固体形式的导电陶瓷为电解质。
表1.1中列出了上述五种燃料电池的主要特征[2]。
表1.1 各类燃料电池的主要特征
电极类型
阳极催化剂
阴极催化剂
电解质
传导离子
腐蚀性

AFC
Pt/Au,Pt,Ag
Pt/Au,Pt,Ag
KOH
OH-
强

PAFC
Pt
Pt/Cr/Co/Pt/Ni
H3PO4
H+
强

MCFA
Ni,Ni/Cr
Li/NiO
K2CO3,Li2CO3
CO32-
强

SOFC
Ni/ZrO2
LaSrMnO3
Y2O2,ZrO2,CaO
O2-
弱

PEMFC
Pt,Pt/Ru
Pt
质子交换膜
H+
无

续表1.1 各类燃料电池的主要特征
电极类型
工作温度/℃
转化效率(%)
比功率(W/KG)
启动时间
应用领域

AFC
50~200
70
35~105
几分钟
短期飞船
航天飞机

PAFC
160~220
40
120~180
几分钟
电站
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