堿性膜燃料電池用新型陰離子交換膜的制備與研究.pdf

1、能源發(fā)展經(jīng)歷了從柴火時代到煤炭時代，再到油氣時代、電氣時代的演變。目前，世界能源供應(yīng)主要依托于化石能源，它有力支撐了經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。未來能源的發(fā)展趨勢是以清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，因此氫能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源得到人們越來越廣泛的重視，清潔能源在保障世界能源供應(yīng)、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展中，將發(fā)揮越來越重要的作用。近20年來，世界能源的利用分布發(fā)生了重大改變，總體上形成煤炭、石油、天然氣三足鼎立，清潔能源快速發(fā)展的新格局。燃料電池由于便攜方便

2、、比能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、無污染等優(yōu)點，成為了氫能利用的最理想的裝置。而在燃料電池領(lǐng)域中，聚合物膜燃料電池的發(fā)展越來越引人注目。
　　聚合物膜燃料電池主要包括堿性膜燃料電池(AEMFCs)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)。堿性膜燃料電池顧名思義是在堿性條件下工作的，它具有反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)高、反應(yīng)效率高、催化劑成本低等優(yōu)點，其核心組件就是單元內(nèi)的陰離子交換膜即堿性膜(AEM)。因此，設(shè)計、制備出性能優(yōu)異的堿性膜，對于堿性膜燃料電

3、池乃至整個燃料電池領(lǐng)域的發(fā)展都具有重要意義。
　　堿性膜(AEM)發(fā)展至今的一個主要設(shè)計與制備思路是:選用一種在堿性條件下能夠保持穩(wěn)定化學(xué)性能的聚合物，將離子傳導(dǎo)基團如季銨、季鱗、咪唑等接枝到聚合物骨架上，流延成膜，制備出功能型堿性膜。傳統(tǒng)思路帶來的問題主要是AEM的離子傳導(dǎo)率較低以及堿穩(wěn)定性不足。本文針對這兩方面的問題，提出了一些新的思路，以期制備出性能良好的AEM。
　　1.離子液體復(fù)合膜的制備及游離型離子液體輔助離子傳

4、導(dǎo)機制的探索
　　在傳統(tǒng)的聚苯醚-三乙胺(BPPO-TEA)堿性膜的基礎(chǔ)上，在膜內(nèi)引入了游離型的離子液體，讓其均勻分散在膜內(nèi)形成“活性位點”，利用離子液體單體對氫氧根離子的靜電吸引作用，使其在膜內(nèi)起到一個輔助氫氧根離子傳導(dǎo)的作用。由于受到離子液體的“牽引力”，氫氧根離子可以更快的通過堿性膜，從而實現(xiàn)“跳躍式”傳導(dǎo)，從根本上提高了堿性膜的離子傳導(dǎo)率。在這一基礎(chǔ)上，引入三種不同的離子液體，考察其結(jié)構(gòu)對離子傳導(dǎo)率提升程度的不同影響。離子

5、液體的摻入使膜的離子傳導(dǎo)率明顯提升，最高達(dá)到純膜傳導(dǎo)率的2.5倍。
　　2.納米二氧化鈦-離子液體復(fù)合膜的制備及納米二氧化鈦穩(wěn)定離子液體機制的探索
　　鑒于離子液體在高濕度環(huán)境下會從膜內(nèi)發(fā)生一定程度的流失現(xiàn)象，在膜內(nèi)引入了無機納米材料納米二氧化鈦，利用其與離子液體之間的自組裝作用，穩(wěn)定在膜內(nèi)的離子液體。納米二氧化鈦對離子液體的穩(wěn)定作用使得更高濃度的游離離子液體可以穩(wěn)定地存在于AEM內(nèi)，從而更多的離子液體可以起到輔助氫氧根離子

6、傳導(dǎo)的作用，堿性膜的離子傳導(dǎo)率會進(jìn)一步提升。摻入納米二氧化鈦后，復(fù)合膜的離子傳導(dǎo)率又有了明顯的提高。
　　3.有機-無機復(fù)合膜的制備與研究
　　通過在堿性膜內(nèi)摻入不同比例的納米二氧化鈦和不同種類的離子液體，制備出一系列有機-無機復(fù)合膜，考察納米二氧化鈦摻雜量和離子液體種類這兩個變量對膜性能的影響。綜合各方面性能可以發(fā)現(xiàn)，納米二氧化鈦-乙基離子液體復(fù)合膜的性能最優(yōu)，離子傳導(dǎo)率最高可達(dá)59.27mS/cm。
　　4.負(fù)載冠

7、醚型堿性膜的制備與研究
　　要解決堿性膜堿穩(wěn)定性不足的問題，需要從根本上對堿性膜的離子傳導(dǎo)基團進(jìn)行改善，我們引入了堿穩(wěn)定性能優(yōu)異的冠醚基團來替代傳統(tǒng)的離子傳導(dǎo)基團，以期能夠改善堿性膜的堿穩(wěn)定性。選用在酸、堿條件下都具備優(yōu)異穩(wěn)定性的聚合物聚磷腈作為AEM的骨架，將自主合成制備的功能冠醚基團接枝在聚合物上，同時輔以交聯(lián)的手段提高堿性膜的尺寸穩(wěn)定性。制備出的負(fù)載冠醚型堿性膜離子傳導(dǎo)率高，堿穩(wěn)定性強，膜在80℃下離子傳導(dǎo)率高達(dá)70.6mS