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研究生:劉哲原
研究生(外文):Che-Yuan Liu
論文名稱:蒙脫土改質高分子電解質薄膜研究
論文名稱(外文):The Modification of Nafion membrane with intercalated clay
指導教授:洪信國
指導教授(外文):Shinn-Gwo Hong
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:蒙脫土磺酸化薄膜聚乙烯醇聚乙烯基砒硌烷酮離子導電度
外文關鍵詞:sulfonated polytetrafluoroethylene membranemontmorillonite claypolyvinylalcoholpolyvinylpyrrolidoneion conductivity
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本研究主要目的以改質蒙脫土改善磺酸化薄膜操作溫度低、水之溼潤不足等不良及衍生之問題等缺點,分別以聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基砒硌烷酮(PVP)層間插入蒙脫土與磺酸化薄膜以真空熱壓成為複合電解質薄膜,工作主要包括含水率、交流阻抗儀對薄膜離子導電度之測量、萬能拉力試驗機對薄膜拉伸性質之測量,X光繞射儀(XRD)對蒙脫土改質之鑑定並以熱分析儀器如熱重分析儀(TGA)及傅式紅外線光譜分析儀(FT-IR),探討複合電解質薄膜之基礎性質。
本實驗證實聚乙烯醇與聚乙烯基砒硌烷酮均能有效插層改質蒙脫土,插層改質隨高分子之種類有所有差異,以聚乙烯基砒硌烷酮為佳。複合電解質薄膜含水率、耐熱性、機械強度與離子導電度隨改質蒙脫土之添加量而改變,提高各配方蒙脫土添加量均能擁有較佳電解質薄膜之含水率與耐熱性,但添加量過高使離子運動受阻礙與蒙脫土聚集,造成離子導電度與機械強度下降之結果。氣體滲透與單電池測試方面,因膜材成膜差異大與針孔產生造成氣漏導致功率下降之現象產生。
The properties of sulfonated polytetrafluoroethylene membrane modified with intercalated montmorillonite clay are studied with water absorption test, AC impedance, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, gas permeability test, and Instron. The montmorillonite clay is intercalated with polyvinylalcohol (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP). The results of X-ray diffraction indicate that the clay can be effectively intercalated by PVP and PVA and the interlayer spacing from the PVP/clay is greater than that from the PVA/clay. The water absorption and the thermal stability of the modified membrane increase while the ion conductivity and the tensile strength decrease with increasing the intercalated clay content. The great water absorption ability from the intercalated clay results in a better water absorption of the modified membrane. Yet the unevenly distributed clay in the membrane can generate a membrane with porosity, lower ion conductivity, and inferior mechanical strength.
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 VII
附錄 IX
一、 緒論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究方向 3
二、 文獻回顧 4
2.1 質子交換膜(Proton Exchange Membrane) 4
2.1.1 質子交換膜原理 4
2.1.2 質子交換膜水管理 4
2.1.3 質子交換膜之發展現況 5
2.2 蒙脫土 7
2.3 奈米複合材料 9
2.3.1奈米複合材料之簡介 9
2.3.2奈米複合材料之製備 10
2.3.3奈米複合材料之分類 10
三、 理論分析 12
3.1 X光繞射分析(XRD) 12
3.2 熱重分析(TGA) 13
3.3傅氏轉換紅外線光譜分析(FTIR) 14
3.4 交流組抗分析(AC Impedance) 16
3.5 氣體滲透 20
四、 實驗部分 22
4.1實驗藥品 22
4.2儀器設備 24
4.3實驗步驟 25
4.3.1 高分子層間插入蒙脫土實驗 25
4.3.2 XRD測試 25
4.3.3 Nafion成膜實驗 26
4.3.4 吸水實驗 28
4.3.5 SEM測試 28
4.3.6 FT-IR測試 29
4.3.7 TGA測試 29
4.3.8 導電度之測試 30
4.3.9 機械性質測試 34
4.3.10 氣體滲透測試 35
五、 結果與討論 36
5.1 XRD部分 36
5.2 含水率部分 36
5.3 SEM部分 37
5.4 FT-IR部分 37
5.5 導電度部分 39
5.6 TGA部分 40
5.6.1 CLAY、PVP及PVA之熱重分析 40
5.6.2 Nafion膜及摻合CLAY之Nafion膜熱重分析 41
5.7 機械性質部分 42
5.8 氣體滲透與單電池部分 43
六、結論 44
七、參考文獻 46
表格 51
圖形 59
表 目 錄
表一、Montmorillonite Clay (PCLAY)在X-ray之數據 51
表二、經PVA層間插入蒙脫土在X-ray之數據 52
表三、PVP K-15層間插入蒙脫土在X-ray之數據 52
表四、吸純水膨潤之結果 53
表五、各溫度於純水中離子導電度之結果 54
表六、各溫度於蒸汽中相對濕度為95%離子導電度之結果 55
表七、各成分TGA性質表 56
表八、高分子層間插入含量表 56
表九、各膜材TGA性質表 57
表十、各膜材機械性質表 58
表十一、各膜材於40°C氫氣下氣體滲透性質表 58
圖 目 錄
圖一、PEMFC電化學示意圖 59
圖二、水分子於質子交換膜運動示意圖 59
圖三、Nafion分子結構式 60
圖四、蒙脫土結構模型 61
圖五、蒙脫土層間插入示意圖 62
圖六、X-ray繞射示意圖 62
圖七、(A) Nyquist 圖 (B)等效電路圖 63
圖八、(A) Nyquist 圖 (B)等效電路圖 64
圖九、蒙脫黏土在X-ray下之繞射圖譜 65
圖十、經PVA層間插入蒙脫黏土在X-ray下之繞射圖譜 65
圖十一、經PVP-K15層間插入蒙脫黏土在X-ray下之繞射圖譜 66
圖十二、Nafion-117之切面SEM圖 67
圖十三、V-Nafion之切面SEM圖 67
圖十四、VP5之切面SEM圖 68
圖十五、VP2.5之切面SEM圖 68
圖十六、VA5之切面SEM圖 69
圖十七、VA2.5之切面SEM 69
圖十八、各膜材於熱壓後FT-IR光譜圖 70
圖十九、各膜材於純水之各溫度離子導電度圖 71
圖二十、各膜材於相對濕度95%下之各溫度離子導電度圖 72
圖二十一、CLAY之熱重損失圖 73
圖二十二、PVP K-15之熱重損失圖 74
圖二十三、PVP-CLAY之熱重損失圖 74
圖二十四、PVA之熱重損失圖 75
圖二十五、PVA-CLAY之熱重損失圖 75
圖二十六、Nafion-117之熱重損失圖 76
圖二十七、V-Nafion之熱重損失圖 76
圖二十八、VP2.5之熱重損失圖 77
圖二十九、VP5之熱重損失圖 77
圖三十、VA2.5之熱重損失圖 78
圖三十一、VA5之熱重損失圖 78
圖三十二、各膜材極化曲線圖 79
圖三十三、各膜材電流密度對電池功率密度之結果 79
附 錄
附錄一、交流組抗原始圖 80
附錄二、機械測試原始圖 84
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