The Preparation of Sulfonated Composite Membranes and Their Conductivities and Methanol Permeabilities
Date Issued
2012
Date
2012
Author(s)
Chen, Yu-Nung
Abstract
直接甲醇燃料電池在電力供應上，較適用於小功率的行動式能源供應系統。現今此燃料電池仍有幾個技術尚未突破，主要為質子交換膜中的質子傳導率(conductivity, C)和甲醇滲透率(permeability, P)，以及觸媒的轉化之能力為最需要被改善的因素。在質子交換膜中目前全都以全氟化磺酸膜為主。但由於其甲醇滲透率過高，為不能將直接甲醇燃料電池商業化的最關鍵因素，故現今仍有許多研究者在尋找替代材料來製備價廉且有優秀表現的質子交換膜。本研究第一部份以聚苯乙烯(polystyrene)為主材料，以部分磺化(sulfonation)的方式，使其具有質子交換膜之適用性。文獻指出部分磺化的聚苯乙烯在質子傳導率/甲醇滲透率的比值(C/P ratio)上有高於NafionR薄膜之表現，本研究探討使用其他溶劑成膜，並與文獻上質子交換膜的表現相比較。本研究進而加入蒙托土(Montmorillonite, MMT)為添加物或以有機/無機複合材料之特性來提升高分子之物理及化學性質。研究以不同溶劑、磺化率及蒙托土的添加量來比較質子傳導率、甲醇滲透率等性質之改變，最後以質子傳導率/甲醇滲透率之比值(C/P ratio)來評估此材料之表現。經由實驗結果指出，使用二甲基亞碸(DMSO)做部分磺化聚苯乙烯的成膜溶劑，會有最佳的效果，磺化率於14.38%之C/P值表現為NafionR 115之1.9倍。添加蒙托土後的部分磺化聚苯乙烯薄膜，其甲醇滲透率的降低並未如想像，但可以改善材料的熱穩定性，添加1%蒙托土有較佳的熱穩定性，最多可將熱裂解溫度提升15 oC。蒙托土的分散若使用氯苯(chlorobenzene)以及正丁醇(n-butanol)為溶劑，可有最佳的蒙托土分散效果，由TEM及XRD的鑑定結果為脫層型分散。為了更進一步改良薄膜的C/P值，接著以聚乙烯醇 (PVA) 與甲殼素(chitosan)混合製成高分子複合膜作為更進一步的研究。運用 TEOS（tetraethyl orthosilicate） 與磺化琥珀酸（sulfosuccinic acid）作為複合交聯劑；接著運用磺化琥珀酸與丁磺酸內酯(1,4-butane sultone) 作為磺化試劑，實驗可印證複合膜中的磺化與交聯。複合薄膜的熱穩定性與熱交聯時間可由熱重損失分析儀(TGA)量測得出。在掃描式電子顯微鏡觀察薄膜截面的實驗中，可以觀察到離子通道的存在，且隨著丁磺酸內酯的添加量增加離子通道的孔徑也漸漸增大，大小分布也越來越不均一。同時在此研究中，亦運用自行設計的導電率槽研究質子傳導率與溫度的關係；運用自行設計的擴散槽研究甲醇滲透率隨溫度變化的關係。其中表現最佳的薄膜, SA2-BS4,在32oC下質子導電率為 0.0218 (S cm-1) 而甲醇穿透率為3.35x10-7(cm2 s-1)，其相對C/P值(relative C/P ratio)的表現可以達到商用薄膜NafionR 115薄膜的4.12倍，可以預期此質子交換膜應用於直接甲醇燃料電池將具有相當的潛力。
Subjects
Direct methanol fuel cell
composite membrane
methanol permeability
Type
thesis
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