论文部分内容阅读
阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）具有可使用非贵金属催化剂、氧化还原过电位低等优势而得到广泛关注和研究。阴离子交换膜（AEMs）作为燃料电池的核心部件,面临电导率低和稳定性较差的缺点限制了其实际应用。本论文基于改善在低离子交换容量（IEC）下微相分离不彻底、电导率较低的问题,从膜内自由体积调控的角度出发,采用共混和扩链两条实验路线,利用具有高自由体积特性的自具微孔聚合物（PIM）在膜内构筑微孔,增大自由体积,促进微相分离强化在低IEC水平下的氢氧根离子传导,实现电导率与稳定性的相互平衡,主要研究内容如下:1.PIM共混。利用共混法在膜内构筑微孔,离子化聚砜作为膜的主要组成部分,低离子化程度的PIM作为共混组分,制备梯度PIM含量的共混型AEMs（MmPSF/MmPIM-X）。对比试验MmPSF膜在30℃下电导率为11.5 mS cm-1,BET比表面积(SBET)仅为41 m2 g-1。而经过PIM共混改性后,SBET增大到119 m2 g-1,离子交换容量（IEC）从1.08 mmol g-1降低为0.77 mmol g-1同时膜内出现了明显的离子团簇,直径达到7到8 nm,电导率升高到16.9 mS cm-1,说明增大自由体积促进了微相分离,强化氢氧根离子传导。PIM刚性结构提升了共混膜的拉升强度,与MmPSF膜相比,PIM含量为30%的膜拉伸强度由36 MPa升高到43 MPa并且MmPSF/MmPIM-30%具有较好的单电池性能,在60℃下峰值功率密度为163 mW cm-2。2.PIM扩链。利用PIM作为聚合物主链的疏水段,以自由体积效应为主、嵌段效应辅助共同促进微相分离。氟基封端聚砜与羟基封端PIM进行缩聚反应制备嵌段聚合物（PIM-b-PSF）,随后进行氯甲基化、季铵化制备PIM扩链型AEMs。在扩链反应后,DMBA-PIM-b-PSF-0.91膜的SBET较扩链前（DMBA-PSF）由69 m2 g-1增大到85 m2 g-1,在80℃时电导率达到52.6 mS cm-1而DMBA-PSF-1.24膜仅有41 mS cm-1。DMBA-PIM-b-PSF-0.91膜在80℃和0.1 MPa背压的条件下,峰值功率达到270 mW cm-2。综上,本论文针对低IEC水平下AEMs离子通道不连续,离子化PIM孔结构长期稳定性不足的问题,利用PIM作为微孔调节剂提高膜内自由体积,促进离子簇贯通,对AEMFC的实用化发展具有重要理论意义。