Abstract
近年來燃料電池的研究進展相當快速，其中直接甲醇式燃料電池(DMFC)具有輕便持久特性，可廣泛應用在小型可攜式電子產品上，因此研究發展上受到相當多的重視。DMFC中的離子交換膜在燃料電池中扮演重要的角色，但其主要兩方向的問題仍待解決，其一為提高質子導電率，其二為甲醇滲透率太高，需要加以降低。本實驗是研究DMFC中的離子交換膜，Nafion，的微結構，為了改善Nafion薄膜中甲醇滲透率高以及如何增加質子導電率的問題，本實驗比較以揮發溶劑二甲基甲醯胺(N-dimethyl formamide，DMF)及二甲亞立風(Dimethyl Sulfoxide，DMSO)製成薄膜的方式製作Nafion薄膜，並添加一種導電高分子，polypyrrole(簡稱ppy)，此高分子會在Nafion薄膜中聚合並使其帶有極性的二級胺與Nafion薄膜的離子團結合，形成Nafion複合薄膜，改變離子團的大小及數目，進而改變薄膜特性。本研究將Nafion複合薄膜在國家同步輻射研究中心(光束線BL 17B3)，以小角度X光散射分析其結構。分析方面以Porod analysis 、 simple cubic lattice analysis 和 local order model fitting分析離子團大小，並以廣角X光散射分析，瞭解其結晶化程度。同時也量測薄膜的甲醇滲透率與質子導電度，了解其巨觀結果。並以微觀結構來解釋其巨觀結果，對於降低加醇滲透率的機制或是如何改善質子導電率有所瞭解。Nafion-polypyrrole複合薄膜，使用兩種不同的溶劑揮發，得到兩種不同微結構的複合薄膜。揮發時間越長，結晶度越高，水分吸入薄膜越少，離子團半徑越小，質子導電率沒有明顯的結果，但甲醇滲透率稍稍下降。Polypyrrole濃度越高，則結晶度越高，水分吸入薄膜越少，離子團半徑越小，質子導電率與甲醇滲透率皆下降。以質子導電率與甲醇滲透率的比例探討，以二甲基甲醯胺為溶劑，polypyrrole濃度為0.05 M為最佳複合薄膜；以二甲亞立風為溶劑，polypyrrole濃度為0.1 M為最佳複合薄膜。此兩溶劑所製得的薄膜，polypyrrole濃度在0.4與0.6 M時，質子導電率與甲醇滲透率皆大幅降低，推測是由於在polypyrrole濃度為0.4 M與0.6 M，薄膜所吸入的polypyrrole與聚集形成離子團的硫酸根離子結合後，仍有多餘的polypyrrole存在於非結晶區，破壞薄膜結晶，並阻斷了甲醇滲透的路徑，造成滲透率大幅下降。同時也阻擋了水形成的質子導電通道，使導電率也大幅下降。