簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 蕭育翰
Yu-Han Hsiao
論文名稱: 合成新型含苯並咪唑側基之聚苯咪唑質子傳導膜及其性質研究
Synthesis and Characterization of New Polybenzimidazoles Containing Pendent Benzimidazole Groups for Proton Exchange Membrane
指導教授: 陳燿騰
Yaw-Terng Chern
口試委員: 蔡大翔
王健珍
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: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 108
中文關鍵詞: 聚苯咪唑質子傳導膜
外文關鍵詞: Polybenzimidazole, Proton Exchange Membrane, Benzimidazole
相關次數: 點閱:181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

合成具有benzimidazole側基之PBI共聚物,其固有黏度範圍在 0.91~1.58dL/g之間,均可塗佈成具有韌性之薄膜,這些共聚物隨著側基比例的提升,共聚物的溶解度也增加,且有好的熱安定性,於氮氣下10%熱重量損失溫度高於540℃、以及高玻璃轉換溫度(Tg約在 300℃左右),它的抗張強度大於80MPa,但是當摻雜磷酸後,薄膜因為吸磷酸的膨潤,體積增加,使機械強度會明顯下降,所以我們導入甲基側基的單體,形成交聯PBI共聚物,交聯後PBI共聚物因受交聯鍵結,形成高分子鏈緊密堆積,抑制吸附磷酸量,雖然質子傳導度有稍微降低,但機械性質比起原先未交聯之PBI共聚物,其抗張強度增加了1~2倍。
質子傳導度隨溫度與磷酸摻雜量增加而增加,其中在相似吸附磷酸量下mBI30F70在160℃無水環境下,磷酸摻雜量為212wt%,質子傳導度為51.3 mS/cm高於m-PBI(35.5 mS/cm),至於交聯後之PBI薄膜C-10-mBI30F70在160℃無水環境下,磷酸摻雜量為181 wt%,質子傳導度為40.3 mS/cm。
這些含benzimidazole側基之PBI薄膜具有高磷酸摻雜量、高質子傳導度和好的熱安定性,與耐氧化安定性,經由交聯結構的形成,使PB薄膜在高的磷酸摻雜量下,仍保有良好的機械性質,與高的質子傳導度,是很有潛力成為中溫型燃料電池中質子交換膜材料。


A series of polybenzimidazoles (PBIs) with pendant benzimidazole had been synthesized. The resulting polymers showed good solubility in aprotic solvents. They had inherent viscosities in the range of 0.91~1.58 dLg-1, and they could form tough and flexible films.The PBIs exhibited high thermal stability with 10% decomposition temperature more than 540℃ in nitrogen, and their glass transition temperature around 300℃. These films also exhibited good mechanical properties with tensile stress exceeded 80 MPa. Phosphoric acid (PA) doped PBI was swollen result in the volume of PBI showed a larger volume swelling. The mechanical properties of phosphoric acid doped PBI significantly decreased.The mechanical properties of PBIs were improved using crosslinking in methyl pendent PBIs. Mechanical strength of cross-linked PBI is twice as strong as noncross-linked PBI.
The proton conductivity of phosphoric acid doped PBI was dependent on doping PA level and temperatures.At the approximate doping PA level,the proton conductivity of mBI30F70 was 51.3 mS/cm at 160℃, compared with 35.5 mS/cm of m-PBI membrane. The proton conductivity of C-10-mBI30F70 was approximately 40.3 mS/cm at 160℃.
Thus, these polybenzimidazoles (PBIs) with pendant benzimidazole membranes could be the promising materials alternative to m-PBI membrane for medium-temperature fuel cells applications because they had high phosphoric acid doped, good thermal stability, and higher proton conductivity.

摘要....I ABSTRACT........II 目錄....III FIGURE 索引.....VI TABLE 索引......IX 第一章 緒論.....1 1.1前言.1 1.2 燃料電池的介紹.......3 1.2.1燃料電池的發展......3 1.2.2燃料電池的特色......5 1.2.3燃料電池的種類......7 1.2.4燃料電池的原理......11 1.3 直接甲醇燃料電池介紹(DMFC)....13 1.3.1直接甲醇燃料電池的原理及構造..14 1.3.2直接甲醇燃料電池的核心.......15 1.4 中溫型燃料電池簡介....17 1.4.1中溫型(150~250℃)燃料電池的優點......18 1.4.2聚苯咪唑薄膜摻雜磷酸的質子傳導機制....19 1.5交聯劑介紹....21 1.6文獻回顧......25 1.7研究動機與研究內容.....36 第二章 實驗.....40 2.1實驗藥品......40 2.2聚苯咪唑(Polybenzimidazole)共聚物實驗程序......42 2.2.1單體合成....43 2.2.2合成聚苯咪唑共聚物(PBIs).....45 2.2.3合成交聯聚苯咪唑共聚物(Crosslinked-PBIs).....47 2.3聚合物之物性與化性分析.49 第三章 結果與討論.......54 3.1單體與PBIs的合成......54 3.2固有黏度測試..60 3.3溶解度測試....61 3.4交聯 PBIs 的合成與證明........63 3.4.1DSC量測....63 3.4.2溶解度證明..65 3.4.3FT-IR分析..67 3.5熱性質測試....68 3.6 PBI共聚合物組成對磷酸摻雜量的效應......72 3.7膨潤度的測試..76 3.8質子傳導度分析........78 3.8.1溫度與磷酸摻雜量對質子傳導度的效應....78 3.8.2 PBI的化學構造對質子傳導度的效應......79 3.9機械性質量測..86 3.9.1未摻雜磷酸薄膜機械性質量測...86 3.9.2摻雜磷酸薄膜機械性質量測.....88 3.9.3甲基交聯對質子傳導度與機械性質的影響..90 3.10氧化安定性測試.......92 第四章 結論.....94 第五章 參考文獻..96

1. George Wand. Fuel Cells History, part 1,Johnson Matthey plc, 2008, 14.
2. Grove, William Robert, Philosophical Magazine and Journal of Science vol. XXI, 1842, 417.
3. 黃鎮江,燃料電池,滄海圖書有限公司,2008,1-11。
4. 陳維新,能源概論,高立圖書有限公司,2009,8-24。
5. 溫武義,燃料電池技術,全華科技圖書有限公司,2004,1-12。
6. 陳振源,科學發展,2005,391,62。
7. O. Stonehart, J. Appl. Electrochem., 1992, 22, 995.
8. S. Surampudi, S. R. Narayanan, E. Vamos, J. Power Sources, 1994, 47, 377.
9. M. P. Hogarth, G. A. Hards, Platinum Maters Rev., 1996, 40, 150.
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. C. H. Parka, C. H. Leeb, M. D. Guivera, Y. M. Leea, Prog. Polym. Sci., 2011, 36, 1443.
12. B. Smitha, S. Sridhar, A. A. Khan, J. Membr. Sci., 2005, 259, 10.
13. H. J. Kim, T. W. Lim, Y. S. Park, K. S. Shin, J. C. Lee, Macromol. Chem. Phys., 2007, 208, 2293.
14.T. H. Kim, T. W. Lim, J. C. Lee, J. Power Source, 2007, 172, 172.
15. Q. F. Li, R. H. He, J. O. Jensen, N.J. Bjerrum, J. Electrochem. soc., 2003, 150, 1599.
16.Y. L. Ma, J. S. Wainright, M. H. Litt, R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc., 2004, 151, 8.
17. J. A. Asensio, E. M. Sanchezab, P. G.Romero, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3210.
18. K. Oh, K. Ketpang, H Kim, S Shanmugam, J. Membr. Sci., 2016, 507, 135
19.Y. C. Haung, R. H. Tai, H. F. Lee, P. H. Wang, R. Gopal, C. C. Lee, M. Y. Chang, W. Y. Haung, Int. J. Polym. sci., 2016, 2016.
20. M. K. Ahn, S. B. Lee, C. M. Min, Y. G. Yu, J. Jang, M. Y. Gim, J. S. Lee,J. Membr. Sci., 2017, 523, 480.
21. G. Wang, K. H. Lee, W. H. Lee, N. R. Kang, D. W. Shin, Y. Zhuang, Y. M. Lee, M. D. Guiver, J. Membr. Sci., 2015, 490, 346.
22. T. Ryu, S. C. Sutradhar, F. Ahmed, K. Choi, H. Yang, S. Yoon, S. Lee, W. Lee,J. Ind. Eng. Chem., 2017, 49, 9.
23. J. Yuk, S. Lee, A. F. Nugraha, H. Lee, S. H. Park, S. D. Yim, B. Bae, J. Membr. Sci., 2016, 518, 50.
24. J. Su, H. Pu, Z. Chang, D. Wan, Polymer, 2012, 53, 358.
25. C. Liu, X. Li, S. Zhang, Z. Li, Y. Cao, X. Jian, Solid State Ionics, 2014, 261, 67.
26. M. Han, G. Zhang, Z. Liu, S. Wang, M. Li, J. Zhu, H. Li, Y. Zhang, C. M. Lewb, H. Na, J. Mater. Chem., 2011 21, 2187.
27. Q. F. Li, R. H. He, J. O. Jensen, N.J. Bjerrum, Journal of the Electrochemical society., 2003, 150, 1599.
28. 陳思源,合成新型含苯並噁唑側基之劇本咪唑於中溫型燃料電池質子傳導膜之性質研究,台灣科技大學化工系碩士論文,2013。
29. F. Wang, M. Hickner, Y.S. Kim, T.A. Zawodzinski, J.E. McGrath, J. Membr. Sci., 2002, 197, 231.
30. H. Pu, Q. Liu, G. Liu, J. Membr. Sci,, 2004, 241,169.
31. Q. Li, R. He, J. O. Jensen, N. J. Bjerrum, Fuel Cell, 2004, 4, 147.
32. J. A. Mader, B.C. Benicewicz, Macromolecules, 2010, 43, 6706.
33. R. He, Q. Li, A. Bach, J. O. Jensen, N. J. Bjerrum, J. Membr. Sci., 2006, 277, 38.

無法下載圖示 全文公開日期 2022/07/31 (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