簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 詹惠婷
HUI-TING CHAN
論文名稱: 開發燃料電池之質子傳導膜及其性質研究
Development of Proton Exchange Membrane Materials in Fuel Cell
指導教授: 陳燿騰
Yaw-Terng Chern
口試委員: 華沐怡
Mu-Yi Hua
劉貴生
Guey-Sheng Liou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 150
中文關鍵詞: 質子傳導膜燃料電池聚苯醚共聚物
外文關鍵詞: Proton Exchange Membrane, Fuel Cell, Polyether
相關次數: 點閱:226下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

第一部分
本研究成功合成主鏈含有疏水基結構之聚苯醚共聚物(SPAEs),並將磺酸基導入在側鏈上,首先經由親核性取代聚合反應合成含CF3之Poly(arylene ether)s (PAEs),以Chlorosulfonic acid為磺酸化試劑,直接將聚合物磺酸化,即可得到磺酸基位於側鏈上的SPAEs。
所合成的側鏈型SPAEs,均可塗佈成具有韌性的薄膜,且具有好的熱安定性與機械性質。其質子傳導度會隨著溫度增加而增加,本研究所合成側鏈型SPAEs,大部分它們的質子傳導度比Nafion 117高,在80 ℃,SPAE2系列(IEC=1.90 mequiv./g)有最高的質子傳導度為
200 mS/cm。與主鏈型聚合物相比較,側鏈型SPAEs系列具有相對低吸濕率、膨潤度與相對高質子傳導度的特性,由TEM結果顯示側鏈型SPAEs親水相顆粒直徑約為0.12-0.35 μm且均勻分布,所以較容易形成連續的離子通道,質子傳導度也較高。其甲醇滲透率在0.98~7.05×10-7 cm2/sec之間,都低於Nafion 117(16×10-7 cm2/sec)。因此這些含側鏈型磺酸基的SPAEs具有高質子傳導度、低甲醇滲透率和合理的穩定性,是很有潛力成為直接甲醇燃料電池的質子交換膜材料。

第二部分
本研究成功合成出側鏈含雜環之PBI聚合物,這些聚合物具有好的溶解度,其固有黏度範圍在0.9~2.83 dL/g之間,均可塗佈成具有韌性之薄膜,且有好的熱安定性,於氮氣下開始裂解溫度為488~532℃、高的玻璃轉換溫度(Tg超過350 ℃以上),它的抗張強度大於78 MPa,但是當摻雜磷酸後,它們的機械強度會下降。在質子導電度方面,導電度隨溫度與磷酸摻雜程度增加而增加,其中PBI-2-10在200 ℃無水的環境下,飽和磷酸摻雜程度為361 wt%,質子導電度為68.9 mS/cm 比m-PBI(58.8 mS/cm)的質子傳導度高,而且這些薄膜於高溫時( >100℃)時質子傳導度都比Nafion 117質子傳導度高。
因此這些側鏈含雜環之PBI薄膜具有高磷酸摻雜量、高質子傳導度和好的熱安定性,是很有潛力成為中溫型燃料電池中質子交換膜材料。


Part I
A series of side-chain-type sulfonated trifluoromethyl-based poly(arylene ether)s (SPAEs) were prepared by polycondensation via a nucleophilic substitution reaction followed by post-sulfonation.
Tough and flexible films of the SPAEs with good thermal and mechanical stability were obtained by solvent cast process in N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution. Proton conductivities of the coplymers increased gradually with increase in temperature. Most of SPAEs exhibited higher proton conductivity than Nafion 117. The highest proton conductivity of 200 mS/cm was obtained for SPAE2 coplymers (IEC=1.90 mequiv/g) at 80 ℃. The side-chain-type SPAEs film showed high proton conductivity and good dimensional stability, and their water uptake and swelling ratio were lower than those of the main-chain-type SPAEs with similar ion exchange capacity (IEC) value. Transmission electron microscopy (TEM) was used to examine the microstructures of the membranes and the side-chain-type results revealed that significant hydrophilic/hydrophobic microphase separation with spherical, uniform-size (0.12-0.35 μm) and well-dispersed hydrophilic domains was afforded. In addition, the membranes exhibited low methanol permeability in the range of 0.98~7.05×10-7 cm2/sec, which are much lower than that of Nafion 117 (16×10-7 cm2/sec).
Thus, these side-chain-type SPAEs could be the promising materials as alternative to Nafion membrane for direct methanol fuel cells applications because of them with high proton conductivity, low methanol permeability, and reasonable long-term stability.

Part Ⅱ
A series of new polybenzimidazoles (PBIs) with pendant heterocyclic ring have been synthesized. The resulting polymers showed good solubility in aprotic solvents. They had inherent viscosities in the range of 0.9~2.83 dLg-1, and they could form tough and flexible films. They exhibited high stability with initial decomposition temperature ranging from 488 to 532 ℃, and their glass transition temperature exceeded 350℃. These films exhibited good mechanical properties with tensile stress ranging from 78 to 198 MPa. The proton conductivity of phosphoric acid doped PBI is dependent on doping level and temperatures. The proton conductivity of PBI-2-10 is approximately 68.9 mS/cm at 200℃ under anhydrous conditions at a 361 wt% phosphoric acid doped, compared with 58.8 mS/cm of m-PBI membrane. The PBI membranes showed higher proton conductivity than Nafion 117 membrane at high temperature (>100℃).
Thus, these polybenzimidazoles (PBIs) with pendant heterocyclic ring membranes could be the promising materials alternative to Nafion membrane for medium-temperature fuel cells applications because of they had high phosphoric acid doped, good stability, and higher proton conductivity.

摘要 I 第一部分 I 第二部分 II ABSTRACT III PART I III PART Ⅱ V 目錄 VI FIGURE 索引 X TABLE 索引 XIII 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 燃料電池的介紹 3 1.2.1 燃料電池的運作原理 3 1.2.2 燃料電池的種類介紹 5 1.3 直接甲醇燃料電池介紹(DMFC) 9 1.4 第一部分 文獻回顧 12 1.5 研究動機 19 1.6 研究內容 21 第二章 實驗 22 2.1 實驗藥品 22 2.2 側鏈型與主鏈型磺酸化聚苯醚共聚物實驗程序 26 2.2.1 單體合成 27 2.2.2合成側鏈型磺酸化聚苯醚共聚物(SPAEs) 29 2.2.3 合成兩種主鏈型磺酸化聚苯醚共聚物(MSPAEs,CF3-MSPAEs) 31 2.3 聚合物之物性與化性分析 33 第三章 結果與討論 41 3.1單體與SPAES的合成 41 3.2 固有黏度測試 46 3.3 溶解度測試 48 3.4 熱性質測試 50 3.5 離子交換能力(IEC)量測 54 3.6 吸濕率與膨潤度的測試 56 3.6.1 溫度對吸濕率的效應 56 3.6.2 溫度對膨潤度的效應 59 3.7.1 溫度對質子傳導度的效應 64 3.7.3 IEC對相對質子傳導度的效應 74 3.7.4 濕度對質子傳導度的效應 77 3.8 甲醇滲透率量測與相對選擇率 79 3.9 水解安定性與氧化安定性測試 82 3.9.1 水解安定性量測 82 3.9.2 氧化安定性量測 82 3.10 機械強度測試 84 第四章 結論 86 第五章 中溫型燃料電池簡介 88 5.1 中溫型(150~250 ℃)燃料電池的優點 88 5.2 聚苯咪唑薄膜摻雜磷酸的質子傳導機制 89 5.4 研究動機 93 5.5 研究內容 95 第六章 中溫型燃料電池 實驗 96 6.1 聚苯咪唑(POLYBENZIMIDAZOLE)共聚物實驗程序 96 6.1.1 單體合成 97 6.1.2 合成聚苯咪唑共聚物(PBIs) 99 第七章 中溫型燃料電池 結果與討論 101 7.1 單體與PBIS的合成 101 7.2 固有黏度測試 106 7.3 溶解度測試 107 7.4 熱性質測試 109 7.5磷酸摻雜程度的測試 112 7.6質子傳導度分析 118 7.6.1 溫度對質子傳導度的效應 118 7.6.2磷酸摻雜程度對質子傳導度的效應 122 7.7 機械性質量測 123 7.7.1未摻雜磷酸薄膜機械性質量測 123 7.7.2 摻雜磷酸薄膜機械性質量測 125 第八章 第二部分 結論 127 第九章 參考文獻 129

1. 陳振源,「未來的綠色能源-燃料電池」《科學發展》,391 期。62∼65 頁(2005)。
2. 台灣燃料電池資訊網, http://www.tfci.org.tw。
3. 鄭耀宗等著,現場型磷酸燃料應用於大用戶之可行性研究(1995)。
4. J. H. Hirschenhofer, D. B. Stauffer, R. R. Engleman, M. G. Klett, Fuel Cell Handbook,fifth edition (2000)。
5. 左峻德,燃料電池之特性與運用(2001)。
6. 溫武義,燃料電池技術,全華科技圖書有限公司(2004)。
7. O. Stonehart, Journal Applied Electrochemistry, 22, 995 (1992).
8. S. Surampudi, S. R. Narayanan, E. Vamos, Journal of Power Sources, 47, 377(1994).
9. M. P. Hogarth, G. A. Hards, Platinum Maters Rev., 40, 150(1996).
10. 財團法人國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心,2005年7月。
11. B. Smitha, S. Sridhar, A. A. Khan, Journal of Membrane Science, 259, 10(2005).
12. T. Yasuda, K. Miyatake, M. Hirai, M. Nanasawa, M. Watanabe, Journal of Polymer Science:Part A:Polymer Chemistry, 43, 4439(2005).
13. M. Watanabe, K. Miyatake, Y. Chikashige, Macromolecules, 36, 9691(2003).
14. M. Watanabe, K. Miyatake, B. Bae, Journal of membrane science, 310, 110(2008).
15. D. S. Kim, G.P. Robertson, M. D. Guiver, Macromolecules, 41, 2126(2008).
16. N. Li, D. W. Shin, D. S. Hwang, Y. M. Lee, M. D. Guiver, Macromocules, 43, 9810(2010).
17. M. D. Guiver, G. P. Robertson, J. Murphy, D. S. Kim, B. Liu, Journal of Membrane Science, 280, 54(2006).
18. H. Na, H. Lin, H. Li, G. Zhang, K. Shao, C. Zhao, Y. Zang, Polymer, 50, 4471(2009).
19. M. H. Jeong, K. S. Lee, Y. T. Hong, J. S. Lee, Journal of Membrane Science, 314, 212(2008).
20. K. Miyatake, M. Watanabe, T. Mikami, Applied Materials &Interfaces, 2, 1714(2010).
21. M. D. Guiver, Y. S. Kim, G. P. Robertson, D. S. Kim, Macromolecules, 42, 957(2009).
22. C. P. Yang, J. H. Lin, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 31, 2153(1993).
23. S. H. Hsiao, C. T. Li, J. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 37,1403(1999).
24. S. H. Hsiao, C. P. Yang, W. L. Lin, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 37,1619(1999).
25. 王碧婷,合成含三氟甲基之磺酸化聚苯醚共聚物質子交換膜材料之性質研究,台灣科技大學化工系(2010)。
26. W. L. Harrison, F. Wang, J. B. Mecham, V.A. Bhanu, M. Hill, Y. S. Kim, J.E. McGrath, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 41, 2264(2003).
27. F. Wang, M. Hickner, Y.S. Kim, T.A. Zawodzinski, J.E. McGrath, Journal of Membrane Science, 197, 231(2002).
28. G. Liang, H. Hisatani, T. Maruyama, Y. Ohmukai, T. Sotani, H. Matsuyama, Journal of Applied Polymer Science, 116, 267(2009).
29. B. Liu, G. P. Robertson, M. D. Guiver, Y. M. Sun, Y. L. Liu, J. Y. Lai, S. Mikhailenko, S. Kallaguine, Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics,44,2299(2006).
30. H. Hu, M. Xiao, S. J. Wang, Y. Z. Meng, International Journal of Hydrogen Energy, 35, 682(2010).
31. P. Xing, G. P. Robertson, M. D. Guiver, S. D. Mikailenko, S. Kaliguine, Macromolecules, 37, 7960(2004).
32. K. Chen, X. Chen, K. Yaguchi, N. Endo, M. Higa, K.I. Okamoto, Polymer, 50, 510(2009).
33. Z. P. Guan, M. Xiao, S. J. Wang, Y. Z. Meng, European Polymer Journal, 46, 81(2010).
34. J. Zhu, K. Shao, G. Zhang, C. Zhao, Y. Zhang, H. Li, M. Han, H. Lin, D. Xu, H. Yu, H. Na, Polymer, 51, 3047(2010).
35. T. B. Norsten, M. D. Guiver, J. Murphy, T. Astill, T. Navessin, S. Holdcroft, B. L. Frankamp, V. M. Rotello, J. Ding, Advanced Functional Materials, 16, 1814(2006).
36. Q. F. Li, R. H. He, J. O. Jensen, N.J. Bjerrum, Journal of the Electrochemiacl society, 150, 1599(2003).
37. J. A. Asensio, E. M. Sanchez, P. G. Romero, Chem. Soc. Rev., 39, 3210(2010).
38. S. M. Aharoni , A. J. Signorelli, Journal of Applied Polymer Science, 23, 2653(1979)
39. Y. L. Ma, J. S. Wainright, M. H. Litt, R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc., 151, 8(2004).
40. H. J. Kim, T. W. Lim, Y. S. Park, K. S. Shin, J. C. Lee, Macromolecular Chemistry Physcis, 208, 2293(2007).
41. T. H. Kim, T. W. Lim, J. C. Lee, J. Power Source, 172, 172(2007).
42. M. Kulkarni, R. Potrekar, R. A. Kulkarni, S. P. Vernekar, Journal of Applied Polymer Science, 117, 3282(2010).
43. R. A. Potrekar, M. P. Kulkarni, S. P. Vernekar, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 47, 2289(2009).
44. S. L. Chung, S.W. Chuang, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 44, 4508(2006).
45. S. K. Kim, T. H. Kim, J. W. Jung, J. C. Lee, Polymer, 50, 3495(2009).
46. L. Xiao, H. Zhang, E. W. Choe, E. Scanlon, L. S. Ramanathan, B. C. Benicewicz, ACS Fuel Chem. Div. Prepr., 48, 447(2003).
47. N. Xu, X. Guo, J. Fang, H. Xu, J. Yin, Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry, 47, 6992(2009).
48. 邱茂興,合成新型含雜環結構之磺酸化聚醯亞胺於質子交換膜材料之性質研究,台灣科技大學化工系(2009)。
49. H. Pu, Q. Liu, G. Liu, Journal of Membrane Science, 241,169 (2004).
50. L. Xiao, H. Zhang, T. Jana, E. Scanlon, R. Chen, E. W. Choe, Fuel cells, 5, 287 (2005).
51. H. G. Chae, S. Kumar, Journal of Applied Polymer Science, 100, 791 (2006).
52. J. A. Asensio, S. Borro's, P. Go'mez-Romero, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 40, 3703 (2002).
53. A. Carollo, E. Quartarone, C. Tomasi, P. Mustarelli, F. Belotti, A. Magistris, Journal of Power Sources, 160, 175 (2006).
54. C. Hasiotis, V. Deimede, C. Kontoyannis, Electrochimica Acta, 46, 2401(2001).
55. D. J. Jones, J. Rozière, Journal of Membrane Science, 185, 41(2001).
56. Q. Li, R. He, J. O. Jensen, N. J. Bjerrum, Fuel Cell, 4, 147 (2004).
57. R. He, Q. Li, A. Bach, J. O. Jensen, N. J. Bjerrum, Journal of Membrane Science, 277, 38 (2006).
58. R. Zhu, Y. Wang, W. He, European Polymer Journal, 41, 2088 (2005).

無法下載圖示 全文公開日期 2016/07/27 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
QR CODE