论文部分内容阅读
碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)相比于质子交换膜燃料电池有许多优点：碱性环境下阳极氧化反应速率高、原料液(尤其是甲醇)渗透率低、对催化剂选择性要求较低、水管理相对简单,更适用于直接甲醇燃料电池。碱性阴离子交换膜(AAEM)作为AAEMFC的核心部件,起到传导阴离子同时分隔阴阳两极中燃料和氧化剂的作用,其性能直接影响AAEMFC的性能和寿命。电导率低、碱性基团稳定性差是阴离子交换膜亟待解决的关键问题。本文采用三乙烯二胺(DABCO)为季铵化试剂,高性能工程塑料聚醚醚酮(PEEK)为基质,制备DABCO季铵化PEEK阴离子交换膜(QDPEEKOH)。 DABCO的环状结构在碱性溶液中对Hoffman反应不敏感,可以提高碱性基团的稳定性。利用DABCO的两个叔胺N原子,还可以实现膜的交联及双季铵化改性,提高膜的电性能。首先采用不同氯甲基化取代度(DC)的氯甲基化聚醚醚酮(CMPEEK)和DABCO反应制备季铵化聚醚醚酮(QDPEEKC1)膜材料,采用溶液浇铸法制备QDPEEKOH阴离子交换膜。室温下,随着DC增加(35%-68%)电导率从4.11mS cn-1提高到12.67mScm-1,但同时膜的溶胀度也显著增加,当DC=72%时膜溶胀过度,失去机械性能,限制了膜电导率的提高。为进一步提高膜的电导率,本文采用高取代度膜材料增加离子传导基团数量,采用环状二胺DABCO季铵化的同时进行膜的交联以限制溶胀,制备交联聚醚醚酮碱性(CL-QDPEEKOH)阴离子交换膜。提出采用氢氧根离子浓度([OH-])综合离子交换容量和交联度对膜电导率的影响,建立[OH]及离子迁移能力与膜电导率间的相互关联。通过优化离子交换容量和交联度,提高交联膜的电性能。其中DC=149%, DCLt(理论交联度)=50%交联膜的常温电导率达到33.4mS cm-1,约为非交联QDPEEKOH膜的2.6倍,溶胀度仅为42.9%。将碘甲烷与QDPEEKC1由DABCO末端自由叔胺反应,制备具有较高离子传导基团分布密度的双季钱化CH3I-QDPEEKOH膜。与相同IEC的QDPEEKOH膜相比,CH3I-QDPEEKOH膜的离子迁移能力增强、离子簇尺寸较大,从而提高了离子传导通道的连通性,常温下最高电导率为35.5mS cm’,与之对应的溶胀度为39.8%,综合性能良好,适合作为碱性燃料电池的膜材料。