直接甲醇燃料電池用Nafion®/聚丙基醚雙胺寡聚物摻混型質子交換膜之製備與性質研究

Preparation and Properties of Poly(oxypropylene) Diamines/Nafion® Blend Membrane for Direct Methanol Fuel Cell

蕭亦修(Yi-Hsiu Hsiao)

指導教授 ： 馬振基

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2008年)

摘要

本研究利用不同分子量(Mw = 230、400、2000) Poly(oxypropylene) Diamines (簡稱POP-diamines)與Nafion®進行摻混，形成POP-diamines/Nafion®複合膜材，藉POP-diamines的胺官能基(-NH2)與Nafion®側鏈上的磺酸根(-SO3H)產生酸鹼作用力，期望提升膜材之熱性質、尺寸安定性，並有效的降低膜材甲醇滲透率，進而提升膜材的電池性能表現；然而，在產生酸鹼作用力的同時，造成Nafion®中自由的磺酸根基團變少，對於質子傳導度有所損失，故本研究接著將不同分子量POP-diamines一端的胺官能基改質接枝帶有磺酸根(簡稱POP-diamines-PS)，與Nafion®摻混後，形成POP-diamines-PS/Nafion®複合膜材，期望在降低膜材的甲醇滲透率的同時，可維持膜材的質子傳導度，進而使膜材性質大幅提升。並藉由FT-IR、DSC、XRD、SEM等儀器進行膜材物理及化學性質測試及分析。
研究結果顯示POP-diamines/Nafion®複合膜材之性能可藉由甲醇滲透率、質子傳導度及電池測試得知。鏈長最長的D2000/Nafion®，具有較低的甲醇滲透率以及較高的質子傳導度，故在POP-diamines系列中，具有較佳的電池性能表現，添加量為3.5 wt%之D2000/Nafion®，甲醇滲透率為1.11 x 10-6 cm2/s，質子傳導度為0.102 S/cm，電流密度為0.2 伏特時為103.50 mA/cm2，最大電池功率為21.64 mW/cm2。而改質後POP-diamines-PS/Nafion®複合膜材，具有較高的質子傳導度以及C/P Ratio值，在電池性能表現方面，添加量為3.5 wt%之D2000-PS/Nafion®，電流密度為0.2 伏特時為127.01 mA/cm2，最大電池功率為25.70 mW/cm2，因此有效的維持質子傳導度與降低甲醇滲透率可使膜材更適於應用在直接甲醇燃料電池中。綜合以上結論，改質後尾端帶有親水性官能基磺酸根(-SO3H)的複合膜材比改質前更適於應用在直接甲醇燃料電池，其中又以D2000-PS/Nafion®複合膜材具有最優良的性能表現。

關鍵字

Nafion ； 直接甲醇燃料電池 ； 質子交換膜 ； 酸鹼作用力 ； 甲醇滲透率

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Nafion ； DMFC ； proton exchange membrane ； acid-base interaction ； methanol permeability

參考文獻

[6] S. D. Mikhailenko, S. M. J. Zaidi, S. Kaliaguine, Sulfonated polyether ether ketone based composite polymer electrolyte membranes. Catal Today 67 (2001) 225-236.

[7] M. J. Sumner, W. L. Harrison, R. M. Weyers, Y. S. Kim, J. E. McGrath, J. S. Riffle, A. Brink, M. H. Brink, Novel proton conducting sulfonated poly(arylene ether) copolymers containing aromatic nitriles. J. Membrane Science 239 (2004) 199-211.

[8] M. A. Hickner, H. Ghassemi, Y. S. Kim, B. R. Einsla, J. E. McGrath, Alternative Polymer Systems for Proton Exchange Membranes (PEMs). Chem. Rev. 104 (2004) 4587-4612.

[9] Y. Woo, S. Y. Oh, Y. S. Kang, B. Jumg, Synthesis and characterization of sulfonated polyimide membranes for direct methanol fuel cell. J. Membrane Science 220 (2003) 31-45.

[12] S. H. Wu, C. M. Huang, Preparation and Characterization of Pt, Pt-Ru/CNT electrocatalysts for DMFC. Department of Materials Engineering, Tatung University.