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研究生： 林永崇
Lin, Yung-chung
論文名稱： 高溫質子交換膜燃料電池用含氟含矽聚苯咪唑之合成與性質研究
Synthesis and properties of fluorine and siloxane containing polybenzimidazole for high-temperature proton exchange membrane fuel cells
指導教授： 許聯崇
Shiu, Lian-chung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 92
中文關鍵詞： 甲醇 、交聯 、導電度 、質子交換膜
外文關鍵詞： DMFC
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    • 本研究，利用3,3’-Diaminobenzidine、2,2-Bis(4-carboxyphenyl)- hexafluoropropane( HFA )、1,3-bis(carboxypropyl)-tetramethyldisiloxane ( BCPTMDS )等單體成功地合成含氟含矽PBI共聚合物，並依單體比例不同獲得六組PBI共聚合物。再利用溶液鑄模的方法製備PBI薄膜，以及將薄膜浸泡在磷酸的方式摻雜磷酸。以FTIR、X-ray及1H-NMR等分析鑑定合成出的六組PBI共聚合物之組成與結構。由於導入大基團含氟單體( HFA )與柔軟基團含矽單體( BCPTMDS )，PBI在DMAc中的溶解度呈大幅度的上升。在熱性質方面，導入含氟與含矽單體後PBI仍具有良好的熱穩定性與尺寸安定性。機械性質方面，PBI共聚合物平均擁有約88MPa的破斷應力與2GPa的彈性模數，顯示出具有良好的機械強度；另外甲醇滲透率的實驗結果也顯示出PBI共聚合物薄膜是很好的甲醇滲透抵擋材料。在質子導電度方面，導電度隨磷酸摻雜程度增加而增加，在150℃無水的環境下擁有最高磷酸摻雜程度的PBI膜約有1.6 10-4 ( S/cm )的質子導電度。

    In this study, fluorine-siloxane containing PBI copolymers were synthesized by copolymerization of 3,3’-Diaminobenzidine, 2,2- Bis(4-carboxyphenyl)-hexafluoropropane( HFA ) and 1,3- bis(carboxypropyl)-tetramethyldisiloxane( BCPTMDS ) with different molar ratio. PBI membranes were prepared by solution-casting and then doped with phosphoric acid. The structures of PBI copolymers were characterized by FTIR, X-ray and 1H-NMR. The solubility of PBI was significantly increased by the introduction of a bulky group, HFA, and a flexible group, BCPTMDS, into the polymer backbone. The excellent thermal stability and dimension stability of PBI were still maintained. The PBI copolymers exhibited good mechanical properties with average tensile strength at about 88MPa and average Young’s modulus at 2GPa. Additionally, from the methanol permeability experiment, PBI copolymers exhibited excellent resistance of methanol permeability. The proton conductivity of phosphoric acid doped PBI was dependent on the doping level. Under anhydrous condition, the proton conductivity of the highest doping level PBI membrane was about 1.6×10-4 ( S/cm ) at 150℃.

    誌謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第1章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 4 第2章 文獻回顧與原理 5 2-1 燃料電池歷史回顧 5 2-2 燃料電池基本運作原理及優點 12 2-3 燃料電池種類 15 2-3-1 鹼性燃料電池( AFC ) 15 2-3-2 質子交換膜燃料電池( PEMFC ) 16 2-3-3 直接甲醇燃料電池( DMFC ) 17 2-3-4 磷酸燃料電池( PAFC ) 18 2-3-5 熔融碳酸鹽燃料電池( MCFC ) 19 2-3-6 固態氧化物燃料電池( SOFC ) 21 2-4 燃料電池用高分子質子交換膜介紹 22 2-5 PBI薄膜摻雜磷酸之質子傳導機制 24 第3章 實驗方法與步驟 32 3-1 實驗藥品 32 3-2 實驗儀器 33 3-3 實驗步驟 33 3-3-1 PBI共聚合物的合成 33 A. 合成PBI-0Si 37 B. 合成PBI-10Si 37 C. 合成PBI-25Si 38 D. 合成PBI-50Si 38 E. 合成PBI-75Si 39 F. 合成PBI-100Si 40 3-3-2 PBI共聚合物薄膜的製備 40 3-3-3 PBI共聚合物薄膜摻雜磷酸的方法 41 3-4 結構鑑定 42 3-4-1 紅外線光譜儀分析(FTIR) 42 3-4-2 X-ray繞射分析 42 3-4-3 核磁共振光譜(1H-NMR) 43 3-5 性質分析 43 3-5-1 溶解度定性測試 43 3-5-2 固有黏度測試 44 3-5-3 熱重損失分析( TGA ) 45 3-5-4 熱機械分析( TMA ) 45 3-5-5 薄膜拉伸機械性質分析 45 3-5-6 甲醇滲透率測定 46 3-5-7 薄膜含磷酸量的測定 47 3-5-8 交流阻抗分析( AC impedance )[38~40] 48 3-5-9 質子導電率分析 51 第4章 結果與討論 53 4-1 PBI共聚合物的合成與結構鑑定 53 4-1-1 合成 53 4-1-2 FTIR分析 55 4-1-3 X-ray繞射分析 56 4-1-4 1H-NMR分析 56 4-2 PBI共聚合物溶解度定性測試 58 4-3 PBI共聚合物固有黏度測試 59 4-4 PBI共聚合物熱性質分析 60 4-4-1 熱重損失分析( TGA ) 60 4-4-2 熱機械分析( TMA ) 61 4-5 PBI共聚合物機械性質分析 63 4-6 PBI共聚合物甲醇滲透率分析 64 4-7 PBI共聚合物摻雜磷酸量分析 66 4-8 PBI共聚合物摻雜磷酸後之質子導電率分析 67 第5章 結論 85 參考文獻 88 自述 92

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    下載圖示 校內：2009-07-08公開
    校外：2018-07-08公開
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