论文部分内容阅读
氢氧根离子交换膜燃料电池工作在碱性环境中,具有电极反应速率快、催化剂选择范围宽以及甲醇渗透率低等优点,但是其电池性能仍有待提高。通常氢氧根离子交换膜是通过氯甲基化聚合物与三甲胺水溶液的非均相季铵化反应制备的,这种方法转化率低,膜的离子传导率低,所以电池性能不高。本文旨在选择以氯甲基化后可以与三甲胺水溶液完全季铵化的聚合物,制备具有较好离子传导率并且适合燃料电池应用的氢氧根离子交换膜。聚醚酰亚胺(PEI)被发现是满足要求的聚合物,首先采用无毒高活性的氯甲基辛基醚(CMOE)作为氯甲基化试剂制备了一系列不同氯甲基化程度(DC)的氯甲基化PEI (CMPEI)。实验表明溶剂用量、催化剂用量、反应温度等对反应结果有很大的影响,并确定最佳反应条件为：PEI: CMOE:C2H4Cl2:ZnCl2=2.0g:4ml:50ml:1.0g,反应温度60℃。CMPEI可以溶解到三甲胺水溶液中通过均相反应得到季铵化PEI (QAPEI),核磁谱图表明CMPEI反应完全。为提高膜的机械性能,将QAPEI与亲水粘性的聚乙烯醇(PVA)复合制备QAPEI/PVA复合膜。考察了PVA含量对复合膜机械性能的影响,确定最适宜质量比为QAPEI:PVA=l:0.25.复合膜的离子交换容量、吸水率、溶胀度和离子传导率都随着DC以及温度的升高而升高。在20℃时,复合膜的离子传导率可以达到0.167S/cm,并在60℃时升高到0.289S/cm。复合膜具有非常高的吸水率和比较大的溶胀度,其最大吸水率为344%,最大溶胀度可以达到89%,但是可以保持膜的形貌完整。为降低膜的溶胀度,将QAPEI与疏水性的聚四氟乙烯(PTFE)膜进行复合制备QAPEI/PTFE复合膜。扫描电镜和红外谱图测试都表明QAPEI与PTFE具有良好的相容性。与QAPEI/PVA复合膜相比,QAPEI/PTFE复合膜的吸水率和溶胀度都有明显的降低,具有更好的机械稳定性。QAPEI/PTFE复合膜的离子交换容量、吸水率、溶胀度和离子传导率与QAPEI/PVA复合膜遵循相同的规律,也随着温度和DC的升高而升高。在20℃时QAPEI/PTFE复合膜的离子传导率可以达到0.119S/cm,并在60℃时升高到0.352S/cm。