聚丙烯酰胺-海藻酸鈉高溫質子交換膜的制備及表征.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染這些問題的不斷呈現(xiàn)，新型能源技術成為解決問題的關鍵。高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)工作溫度為100-200℃，相對于其他燃料電池，HT-PEMFC反應發(fā)生迅速;能改善和簡化水管理系統(tǒng);更高效的熱管理;更好的環(huán)境耐受性，這些優(yōu)點使得HT-PEMFC成為人們關注和研究的熱點。其中高溫質子交換膜是HT-PEMFC的核心組成，對HT-PEMFC性能有決定性的影響。
　　本文使用丙烯酰胺（AM）和海藻酸鈉(SA

2、)，采用溶液聚合的方法，制備出聚丙烯酰胺/海藻酸鈉(PAM/SA)聚合物，其中引發(fā)劑為硫酸銨(APS)、交聯(lián)劑為N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(NMBA)。然后用PAM/SA吸附H3PO4，得到PAM/SA-H3PO4質子交換膜。采用掃描電鏡、紅外光譜、電化學測試等手段，對PAM/SA-H3PO4質子交換膜的形貌結構、質子傳遞機理、影響質子電導率的因素以及高溫穩(wěn)定性進行了表征分析。
　　通過紅外光譜和掃描電鏡對PAM/SA-H3PO4

3、質子交換膜的組成、結構進行分析，結果表明:PAM/SA-H3PO4質子交換膜為3D網(wǎng)絡結構，結構緊密，其內部有互相連通的多微孔結構。H3PO4并不是簡單地吸附在PAM/SA的微孔內，而是通過氫鍵與PAM/SA體系結合在一起。這些氫鍵便是質子傳導的主要通道。
　　通過電化學測試，研究了質子的傳輸機理以及溫度、H3PO4吸附量對PAM/SA-H3PO4質子電導率的影響。結果表明:1.H3PO4通過與PAM/SA骨架中的C=O、NH2以

4、及海藻酸鈉中的C-O形成氫鍵，或者自由H3PO4分子自身形成P=O…H結構。這些氫鍵形成超級通道，使得質子得以在聚合物內部傳輸。2.H3PO4吸附量對質子電導率有決定性的影響，H3PO4吸附量越高，質子電導率越高。3.工作溫度提高時，質子電導率增大。
　　通過改變交聯(lián)劑、引發(fā)劑用量，確定他們對PAM/SA-H3PO4質子交換膜電導率和H3PO4吸附量的影響。結果表明:引發(fā)劑用量為0.03 g時，H3PO4負載量和質子電導率都達到了

5、最大值。此時H3PO4負載量為91.2％，質子電導率可以達到0.017 S·cm-1。當交聯(lián)劑用量為0.01 g時，H3PO4負載量和質子電導率都達到了最大值。此時H3PO4負載量為87.5％，質子電導率可以達到0.090 S·cm-1。
　　測試了PAM/SA-H3PO4質子交換膜的高溫穩(wěn)定性，結果表明:當溫度大于100℃時，PAM/SA-H3PO4質子交換膜可以長時間的保持穩(wěn)定性，這樣就能在實際應用時保證質子的傳輸速率和傳輸穩(wěn)