自交联聚合物阴离子交换膜的制备及性能

摘要

燃料电池是未来新能源发展的重要领域之一，碱性燃料电池由于燃料选择范围广并且可以使用价格相对低廉的催化剂来替代质子膜燃料电池中的铂催化剂因此备受大家青睐。碱性阴离子交换膜和树脂溶液作为碱性燃料电池的核心部件最近几年一直是研究热点，目前文献报道的阴离子交换膜在离子传导率和离子交换容量方面已经能够达到燃料电池正常运行的要求，然而在机械稳定性和化学稳定性方面却表现得不尽如人意。本论文在总结前人的基础上采用自交联的方法成功的制备了自交联型阴离子交换膜和树脂溶液，有效的提高了阴离子交换膜的机械稳定性和化学稳定性，具体工作内容如下:
　　通过氯甲基化反应，成功制备了氯甲基化聚芳醚酮(CMPPEK)和氯甲基化热塑性弹性体(CMSEBS)，并对其结构进行了表征。通过测试氯甲基化聚合物的热稳定性、溶解性和氯甲基化度，确定了两种聚合物均适用于阴离子交换膜和树脂溶液的制备。
　　采用二乙胺(DEA)做自交联试剂、三乙胺(TEA)为季铵化试剂制备了二乙胺自交联型碱性阴离子交换膜DEA-SCAEM。通过考察二乙胺的加入量与阴离子交换膜含水率、溶胀度、离子交换容量、离子传导率和机械稳定性之间的关系，得出当二乙胺加入量为氯甲基基团摩尔数的10％时，阴离子交换膜各项理化指标较为均衡，性能良好。在此条件下阴离子交换膜的含水率和溶胀度分别为20.3％和16.5％，80℃环境温度下的离子传导率为0.06S/cm，膜质量5％的热失重温度为238.3℃，拉伸强度和弹性模量分别为55.6MPa和1528.6MPa。
　　以氯甲基化的热塑性弹性体CMSEBS为基体，二乙胺(DEA)作自交联试剂，三乙胺(TEA)作铵化试剂，制备了自交联型阴离子交换树脂溶液和交换膜膜(DEA-SCSEBS)，并对其结构进行了表征。研究了阴离子交换膜中DEA的含量与阴离子交换膜的离子交换容量(IEC)、吸水率和溶胀度之间的关系，结果表明随着DEA含量的增加，膜的吸水率和溶胀度显著降低，当加入量为10％时，膜的吸水率、溶胀度、机械性能即满足燃料电池的需求，为了尽可能提高阴离子膜和树脂溶液的IEC和离子传导率实验确定DEA的加入量为10％，此时膜的吸水率为12.5％，溶胀度长度方向为11.8％，厚度方向为20％，80℃下的电导率为0.036S/cm，5％的热分解温度为153℃。通过应力-应变测试得到DEA-SCSEBS的拉伸强度和弹性模量分别为49.1MPa和122.9MPa。采用先喷涂后碱交换的方法装配燃料电池，测得本树脂溶液最大电池功率密度为180mW/cm2。