【摘 要】
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燃料电池是一种通过电化学反应提供电能的动力装置。目前对其中的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）关注最多。阴离子交换膜（AEM）是电池的核心组件之一,起着分隔燃料和氧化剂、传递离子和水分子等作用。因此理想的AEM须具有均衡的尺寸稳定性、离子传导性能和化学稳定性。但是目前所合成的膜材料均缺乏长期的碱性稳定性,这是电池长期稳定运行的必要技术基础。导致膜在碱性环境下分解的主要原因是高分子聚合物的断链以及阳
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燃料电池是一种通过电化学反应提供电能的动力装置。目前对其中的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）关注最多。阴离子交换膜（AEM）是电池的核心组件之一,起着分隔燃料和氧化剂、传递离子和水分子等作用。因此理想的AEM须具有均衡的尺寸稳定性、离子传导性能和化学稳定性。但是目前所合成的膜材料均缺乏长期的碱性稳定性,这是电池长期稳定运行的必要技术基础。导致膜在碱性环境下分解的主要原因是高分子聚合物的断链以及阳离子基团的分解。本文针对以上原因,通过选用更稳定的聚合物和阳离子以及借助大环分子对阳离子动态保护的方法制备了多种具有高碱稳定性的AEM,主要的工作内容和研究成果如下:首先探索了有机金属阳离子功能化聚芳基吲哚对提高膜碱稳定性的作用。设计并制备了以聚芳基吲哚聚合物为主链、有机金属阳离子——[Cp-Fe-toluene]PF6作为离子传输基团,并由三种不同长度侧链将两者相互连接的侧链型AEM。通过TEM、SAXS以及电化学工作站研究了微相分离结构的纳米尺寸与膜离子传导率的关系:长侧链促进了相分离结构的形成,且侧链长度对应的相分离尺寸遵循以下规律:丁基＞戊基＞丙基,由丁基侧链构成的PIB-CB-[Cp-Fe-toluene]膜的离子电导率性能最高,在80°C时为63.25 m S·cm-1。另外,在60°C的1 M KOH溶液中进行1000小时的碱稳定性测试后,80°C下的氢氧化物电导率仍能达到测试前性能的81.4%。随后又探索了轮烷功能化聚芳基吲哚对提高膜碱稳定性的研究,继续以化学稳定的聚芳基吲哚聚合物作为主链,以α-环糊精和聚紫精化合物通过主客体配位形成的伪轮烷分子作为多阳离子侧链,并通过交联反应制备了具有主客体结构的交联型AEM。通过控制膜的交联度,发现当交联度达到7%时膜的综合性能最优,其中具有主客体结构的Pri10-PIB在80℃下的氢氧化物电导率为114 m S·cm-1、溶胀率为13.7%,拉伸强度达32.92 MPa。同时,碱稳定性测试显示,将具有主客体结构的Prix-PIB膜在80°C下的5 M KOH中浸泡1000小时后,氢氧化物电导率仍能达到测试前性能的90%以上,而不具有主客体结构的Pix-PIB的氢氧化物电导率则降低至70%。
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