直接甲醇燃料电池聚砜类阴离子交换膜的制备与性能表征

摘要

作为众多燃料电池中的一种,直接甲醇燃料电池(DMFCs)不仅拥有能量转化效率高、环境友好、几乎不排放氮氧化物和硫氧化物等特点,且体积小、结构简单,其燃料易于存储及运输。因此DMFCs在便携式电源方面具有广阔的应用前景,如手机、军用蓄电池充电器等。目前质子交换膜DMFCs已获得军用。然而仍然面临两大主要难题:一是阳极催化剂对甲醇氧化反应活性低;二是甲醇从阳极向阴极的透过率高,即膜的阻醇性能较差。研究表明:阴离子交换膜DMFCs在甲醇氧化动力学和甲醇渗透方面有明显的优势。本课题制备用于DMFCs的优异新型阴离子交换膜,并对膜结构与性能之间的关系进行初步探讨。
　　 阴离子交换膜的制备可以分为商业化膜的改性及合成新型结构聚合物两个途径。本论文制备了一系列的阴离子交换膜。同时,基于公认的质子交换膜的传输机理,提出了一种阴离子交换膜的传输机理。根据设想的阴离子交换膜传输机理,设计了一种聚砜类的新型结构聚合物。采用直接缩聚合成了该系列高分子材料。通过溴化对高分子材料进行改性,合成五甲基胍作为一种季铵化试剂继续对材料进行改性。最后通过碱化、平板流延制备新型聚合物薄膜。在制备此类阴离子交换膜过程中,聚合物链间发生的自交联反应对膜性能产生很大影响,不仅极大地提高了阻醇性能,达到10-9 cm-2·S-1数量级,在30℃时达到最低值:1.02×10-9cm-2·S-1,而且使膜具有良好的热稳定性和化学稳定性。同时,膜具有良好的离子电导率,在30和80℃分别达到6.00×10-2 S·cm-1和13.00×10-2 S·cm-1。
　　 聚乙烯醇作为一种商业化高分子材料具有强亲水性和良好的成膜性,阻醇性能良好。本文制备了聚乙烯醇/铜络合物溶液,通过使用铜圈及化学纤维,利用溶液表面张力,制备了超薄的新型阴离子交换膜。并且开发了一条简单、经济、绿色、快速的制膜路径,可以批量制备薄膜。所得到的络合物薄膜的厚度达到1微米。薄膜的阻醇性能、离子电导率良好。