直接甲醇燃料電池聚合物電解質(zhì)的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(簡(jiǎn)稱DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料儲(chǔ)運(yùn)及補(bǔ)充方便等特點(diǎn)被認(rèn)為是適應(yīng)未來(lái)能源和環(huán)境要求的理想動(dòng)力源之一.DMFC被認(rèn)為最適宜作可移動(dòng)動(dòng)力電源和便攜式電源,如電動(dòng)車電源和手機(jī)電池.目前,DMFC面臨兩大主要難題:一是甲醇從陽(yáng)極向陰極的透過率高,即膜的阻醇性能較差;二是陽(yáng)極催化劑對(duì)甲醇氧化反應(yīng)的活性低.該論文在新型阻醇導(dǎo)電膜材料方面進(jìn)行了新的嘗試.雜多酸是已知常溫下質(zhì)子導(dǎo)電率最高的無(wú)機(jī)酸,被認(rèn)為可用于燃料電池的

2、新型固體電解質(zhì)膜中.但顧慮到雜多酸的可溶性,人們的有關(guān)研究只限于針對(duì)氫氧型質(zhì)子交換膜燃料電池,我們則首先考慮了其用于直接液體甲醇燃料電池的可能性.利用聚合物上官能團(tuán)與雜多酸的相互作用,成功制備了可在甲醇水溶液中穩(wěn)定存在的三類新型無(wú)機(jī)-有機(jī)質(zhì)子導(dǎo)電復(fù)合膜:雜多酸摻雜聚乙烯醇復(fù)合膜(HPAs/PVA)、磷鎢酸摻雜磺化聚醚醚酮(PWA/SPEEK)復(fù)合膜和磷鎢酸摻雜磺化酚酞型聚醚砜(PWA/SPES-C)復(fù)合膜.研究了雜多酸的種類、雜多酸的摻

3、雜量、工作溫度等因素對(duì)這些無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合膜的機(jī)械、導(dǎo)電及阻醇性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),雜多酸的摻入,可很好改善復(fù)合膜的導(dǎo)電性能,使其導(dǎo)電性能在高溫下優(yōu)于Nafion<'(R)>115膜;且復(fù)合膜的甲醇透過系數(shù)均在10<'-7>cm<'2>/s,比Nafion<'(R)>115膜低一個(gè)數(shù)量級(jí),具有良好的阻醇性能.制備了不同磺化度的SPEEK和SPES-C膜,并首次考察了這二類新型膜用于DMFC的可行性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),磺化度為46.71％的

4、SPEEK膜和磺化度為70.21％的SPES-C膜在高溫下的電導(dǎo)率在10<'-2>S/cm,與Nafion<'(R)>115膜電導(dǎo)率相當(dāng);且膜的甲醇透過系數(shù)(10<'-7>cm<'2>/s)比Nafion(<'R>)115膜低一個(gè)數(shù)量級(jí),具有良好的阻醇性能.80℃下,以磺化度為46.71％的SPEEK膜為電解質(zhì)組裝的DMFC的最大功率密度為57.5mW/cm<'2>,優(yōu)于Nafion<'(R)>115膜(49mW/cm<'2>).首次研

5、究了不同預(yù)處理方法對(duì)SPEEK膜的電導(dǎo)率、甲醇透過系數(shù)和電池性能影響.發(fā)現(xiàn)殘留DMF將與SPEEK中-SO<,3>H基團(tuán)相互作用,降低SPEEK膜的質(zhì)子化程度,進(jìn)而影響膜的導(dǎo)電及阻醇性能.為了解決DMFC陽(yáng)極催化劑成本高、易中毒等問題,該文首次提出DMFC采用堿性電解質(zhì)工作的設(shè)想,并對(duì)新型陰離子交換膜進(jìn)行前期研究.通過氯甲基化、胺化、水解等反應(yīng),制得了OH型季胺化酚酞型聚醚砜陰離子交換膜.室溫下,膜在NaOH水溶液中的離子電導(dǎo)率為10<