面向堿性燃料電池應用的陰離子交換膜的設計與制備.pdf

1、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池作為清潔的新能源，由于其具有工作溫度低、啟動時間短、功率密度高等特點，近年來倍受關注。通常，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池會分為兩類:質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)和堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFCs)。相比于廣泛研究的PEMFCs，AAEMFCs具有電極反應效率高、燃料泄漏率低，特別是允許非貴金屬催化劑的使用等優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點。陰離子交換膜作為AAEMFCs重要組成部分，它在燃料電池起到催化劑支撐體、為電

2、極反應提供環(huán)境、隔離氣體或燃料、為氫氧根提供傳輸通道等作用，它的性能直接決定燃料電池的性能、壽命和效率。但對于陰離子交換膜，目前尚未出現(xiàn)如質(zhì)子交換膜中的全氟磺酸膜(Nation)綜合性能優(yōu)異的膜。氫氧根電導率低、尺寸穩(wěn)定性和堿性穩(wěn)定性差是現(xiàn)有陰膜中普遍存在的問題，極大地限制了AAEMFCs的發(fā)展。因此，開發(fā)高氫氧根電導率、高堿性穩(wěn)定性的陰離子交換膜材料，對AAEMFC的發(fā)展和實際應用具有重大意義。
　　Nation膜的微觀結(jié)構(gòu)-性

3、能之間的研究表明，在膜體系內(nèi)構(gòu)建貫穿的離子通道是提高離子膜電導率的重要途徑。因此，設計具有傳導氫氧根能力的接枝型聚合物，可以通過自組裝來構(gòu)建貫穿離子通道，從而可以獲得高氫氧根電導率的陰離子交換膜。另一方面，為了解決陰離子交換膜的耐堿性挑戰(zhàn)，有必要設計新型的堿性功能基團。在這一背景下，本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)以聚偏氟乙烯(PVDF)為主體，使用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）制備的接枝型陰離子交換膜，由于具有一定的相分離，所

4、獲得膜氫氧根電導率性能較為優(yōu)異。此外，由于主鏈PVDF具有一定的結(jié)晶性能，膜的機械性能和熱性能也尤為優(yōu)異。
　　(2)以溴化聚苯醚(BPPO)為主體，使用電子轉(zhuǎn)移再生催化劑原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ARGET ATRP)制備梳型的陰離子交換膜。梳型結(jié)構(gòu)具有高的接枝密度和低的接枝長度，可以形成理想的相分離形貌，因而膜的氫氧根電導率性能優(yōu)異，80℃下高達100mS/cm。然而，其它燃料電池相關性能仍需要進一步優(yōu)化。
　　(3)在研究(

5、2)基礎上，對接枝聚合物結(jié)構(gòu)參數(shù)進一步優(yōu)化。選用低溴化度的聚苯醚(PPO)，并對催化劑用量進行優(yōu)化，制備低接枝密度、高接枝長度的Rod-Coil型陰離子交換膜。Rod-Coil型陰離子交換膜不僅能夠完成理想的微觀相分離，獲得優(yōu)異的氫氧根傳導性能，90℃下電導率高達198 mS/cm。Rod-Coil型陰離子交換膜由于接枝密度較低的特點，側(cè)鏈對主鏈的影響小，還可以實現(xiàn)對膜的耐堿性能的提高。這個研究實現(xiàn)了從大分子結(jié)構(gòu)設計的角度，同時實現(xiàn)了氫

6、氧根電導率和耐堿性能的提高。這個研究也提供了一個制備優(yōu)異陰離子交換膜的新思路。
　　(4)在陰離子交換膜中引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)可以有效抑制膜的溶脹、提高膜的耐堿性能和熱穩(wěn)定性。然而，交聯(lián)會阻隔膜內(nèi)的離子通道，降低膜的氫氧根電導率。通過選用與接枝型陰離子交換膜主鏈具有相同組成的大分子交聯(lián)劑(BPPO)，不僅可以實現(xiàn)有效的交聯(lián)，而且可以不破壞離子膜內(nèi)相分離形貌。所制備的膜實現(xiàn)提高膜穩(wěn)定性的同時，不降低膜的氫氧根電導率。這個研究提供了一個在膜體