聚丙烯酰胺-海藻酸鈉高溫質(zhì)子交換膜的制備及表征.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染這些問(wèn)題的不斷呈現(xiàn)，新型能源技術(shù)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)工作溫度為100-200℃，相對(duì)于其他燃料電池，HT-PEMFC反應(yīng)發(fā)生迅速;能改善和簡(jiǎn)化水管理系統(tǒng);更高效的熱管理;更好的環(huán)境耐受性，這些優(yōu)點(diǎn)使得HT-PEMFC成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。其中高溫質(zhì)子交換膜是HT-PEMFC的核心組成，對(duì)HT-PEMFC性能有決定性的影響。
　　本文使用丙烯酰胺（AM）和海藻酸鈉(SA

2、)，采用溶液聚合的方法，制備出聚丙烯酰胺/海藻酸鈉(PAM/SA)聚合物，其中引發(fā)劑為硫酸銨(APS)、交聯(lián)劑為N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(NMBA)。然后用PAM/SA吸附H3PO4，得到PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜。采用掃描電鏡、紅外光譜、電化學(xué)測(cè)試等手段，對(duì)PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜的形貌結(jié)構(gòu)、質(zhì)子傳遞機(jī)理、影響質(zhì)子電導(dǎo)率的因素以及高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了表征分析。
　　通過(guò)紅外光譜和掃描電鏡對(duì)PAM/SA-H3PO4

3、質(zhì)子交換膜的組成、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明:PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜為3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊密，其內(nèi)部有互相連通的多微孔結(jié)構(gòu)。H3PO4并不是簡(jiǎn)單地吸附在PAM/SA的微孔內(nèi)，而是通過(guò)氫鍵與PAM/SA體系結(jié)合在一起。這些氫鍵便是質(zhì)子傳導(dǎo)的主要通道。
　　通過(guò)電化學(xué)測(cè)試，研究了質(zhì)子的傳輸機(jī)理以及溫度、H3PO4吸附量對(duì)PAM/SA-H3PO4質(zhì)子電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明:1.H3PO4通過(guò)與PAM/SA骨架中的C=O、NH2以

4、及海藻酸鈉中的C-O形成氫鍵，或者自由H3PO4分子自身形成P=O…H結(jié)構(gòu)。這些氫鍵形成超級(jí)通道，使得質(zhì)子得以在聚合物內(nèi)部傳輸。2.H3PO4吸附量對(duì)質(zhì)子電導(dǎo)率有決定性的影響，H3PO4吸附量越高，質(zhì)子電導(dǎo)率越高。3.工作溫度提高時(shí)，質(zhì)子電導(dǎo)率增大。
　　通過(guò)改變交聯(lián)劑、引發(fā)劑用量，確定他們對(duì)PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率和H3PO4吸附量的影響。結(jié)果表明:引發(fā)劑用量為0.03 g時(shí)，H3PO4負(fù)載量和質(zhì)子電導(dǎo)率都達(dá)到了

5、最大值。此時(shí)H3PO4負(fù)載量為91.2％，質(zhì)子電導(dǎo)率可以達(dá)到0.017 S·cm-1。當(dāng)交聯(lián)劑用量為0.01 g時(shí)，H3PO4負(fù)載量和質(zhì)子電導(dǎo)率都達(dá)到了最大值。此時(shí)H3PO4負(fù)載量為87.5％，質(zhì)子電導(dǎo)率可以達(dá)到0.090 S·cm-1。
　　測(cè)試了PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果表明:當(dāng)溫度大于100℃時(shí)，PAM/SA-H3PO4質(zhì)子交換膜可以長(zhǎng)時(shí)間的保持穩(wěn)定性，這樣就能在實(shí)際應(yīng)用時(shí)保證質(zhì)子的傳輸速率和傳輸穩(wěn)