燃料電池用聚芳醚類陰離子交換膜的制備及性能研究.pdf

1、高分子電解質(zhì)膜燃料電池作為一種新型、高效、環(huán)境友好型的能源系統(tǒng)引起了越來(lái)越多的關(guān)注，高分子電解質(zhì)膜是高分子電解質(zhì)膜燃料電池的核心部件之一。本論文以聚芳醚為高分子電解質(zhì)膜材料，設(shè)計(jì)與制備了一系列可用于陰離子交換膜燃料電池(Anion Exchange Membrane Fuel Cell，AEMFC)的聚芳醚類陰離子交換膜(Anion Exchange Membrane，AEM)，并詳細(xì)的研究了陰離子交換膜的各項(xiàng)基本性能。
　　

2、以摩爾比為1:1的4，4’-二氟二苯砜和2，2’-二（4-羥基苯基）丙烷為原料，通過(guò)高溫縮聚、氯甲基化反應(yīng)和季銨化制備了一系列聚芳醚砜陰離子聚合物(PAES)，并采用溶液澆筑法制備了相應(yīng)的陰離子交換膜。使用1H NMR對(duì)制備的聚合物和氯甲基化聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)。分別以33％的TMA溶液和N，N，N’，N’-四甲基己二胺(TMHDA)作季銨化試劑制備了直線型季銨化聚芳醚砜膜(QPAES)和自交聯(lián)型季銨化聚芳醚砜膜(CQPAES)，探討了交

3、聯(lián)劑用量的影響并對(duì)兩種陰離子交換膜的基本性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著交聯(lián)劑TMHDA使用量的增加，CQPAES膜的IEC、吸水率、尺寸變化及離子傳導(dǎo)率均呈下降趨勢(shì);當(dāng)TMHDA的用量為理論值的150％(r＝0.75)時(shí)，由于叔胺與氯甲基的快速反應(yīng)使得部分氯甲基來(lái)不及反應(yīng)而被包埋，造成膜IEC的大幅下降并引起膜相應(yīng)性能的變化。在相似離子交換容量（IEC）時(shí)，CQPAES系列膜的表現(xiàn)出較低的吸水率和尺寸變化，尤其是高溫時(shí)CQPAES系列膜

4、保持了很好的尺寸穩(wěn)定性，CQPAES-5膜在30℃和90℃的離子傳導(dǎo)率分別為30 mS/cm和85 mS/cm。經(jīng)過(guò)60℃堿穩(wěn)定性測(cè)試后，CQPAES系列膜的強(qiáng)度依然保持在V級(jí)。
　　 根據(jù)上一部分的研究，以制備的聚芳醚砜作為聚合物前驅(qū)體，氯甲基化后分別以TMHDA、N，N，N’，N’-四甲基丙二胺(TMPDA)和N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(TMEDA)為季銨化試劑制備了一系列自交聯(lián)型CQPAES膜，并研究季銨化試劑對(duì)CQ

5、PAES膜性能的影響。結(jié)果表明，相比TMPDA和TMEDA，CQPAES-H膜中的氯甲基基團(tuán)可以更加充分的和TMHDA反應(yīng)，并且CQPAES-H膜具有更好的機(jī)械性能、水穩(wěn)定性和堿穩(wěn)定性。
　　 以制備的PAES和CMPAES為聚合物前驅(qū)體，通過(guò)溶液澆鑄法制備了一系列不同IEC值的PAES/CMPAES復(fù)合膜，并研究了PAES/CMPAES復(fù)合膜的基本性能。結(jié)果表明，在相似IEC條件下，復(fù)合膜的吸水率、尺寸變化都要小于QAPES膜

6、，復(fù)合膜的楊氏模量要明顯高于QPAES膜;經(jīng)60℃堿穩(wěn)定性測(cè)試后，復(fù)合膜的強(qiáng)度依然保持在V級(jí)。表明有機(jī)/有機(jī)復(fù)合在一定程度上改善了陰離子交換膜的性能。
　　 以4，4’-聯(lián)苯二酚(BP)為原料通過(guò)Mannich反應(yīng)制備了功能單體2，2’-二甲基亞甲基銨-4，4'-聯(lián)苯二酚(DABP)。以DABP、BP和十氟聯(lián)苯為原料通過(guò)高溫聚合制備了含有叔胺基團(tuán)的氟化聚醚砜聚合物，然后采用碘甲烷進(jìn)行季銨化，進(jìn)一步堿化后制備了一系列陰離子交換膜。