论文部分内容阅读
聚合物电解质膜燃料电池作为一种高效低污染的能量转化装置,可以有效的缓解能源短缺和环境污染等问题。聚合物电解质膜是燃料电池的核心部件,根据传导离子的类型,可分为质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）,其性能优劣直接影响燃料电池的发电功率和使用寿命。目前,PEM和AEM均存在离子传导率低,物化稳定性差等问题,严重的制约了燃料电池的商业化使用。因此,本文以开发和研究新型聚合物电解质膜为目标,借鉴Nafion膜的亲疏水微相分离理论,采用分子设计并结合交联、掺杂等工艺,制备出一系列综合性能良好的膜材料,并深入探究了聚合物结构及其性能的构效关系。首先,以十氟联苯和不同的二酚单体为原料,制备出一系列磺化度相同的侧链型PEM,随后研究了该系列膜的物化性能并分析了结构-性能关系。制得的PEM表现出较高的物化稳定性、机械强度和质子传导率,其中SPFAES-KDP膜的质子传导率达到253m S/cm@80°C,远高于Nafion 112膜（180 m S/cm@80°C）。此外,不同二酚单体由于结构和自由体积的差异对PEM的吸水率、机械性能和质子传导率产生较大的影响。其中含柔性基团和自由体积较大的单体有助于提升膜的吸水率,而含刚性结构的单体则有助于增加膜的机械强度和物化稳定性。为进一步提升该系列膜的吸水率和质子传导率,但又不牺牲膜的机械性能和稳定性,将磺化氮化碳纳米片（SCN）引入膜基质中,制备了一系列SPFAE/SCN掺杂膜。SCN的引入提高了膜内磺酸基团的密度,同时SCN中碱性基团与磺酸基团形成共轭酸碱对,增加了磺酸基团的解离,促进了离子传输通道和相分离结构的形成。SPFAE/SCN膜的质子传导率、机械强度和尺寸稳定性都有显著的提升。在H2/O2单电池测试中,SPFAE/SCN-0.5膜在80°C下的最大功率密度达到717 m W/cm~2。为了在膜内构建连贯且清晰的微相分离结构,同时防止膜的过度溶胀,本文设计制备出一系列具有多离子基团、不同链长的低聚体分子（DABCO-x）,并引入氯甲基化聚芳醚砜中制备出一系列交联型AEM（CQPAES-x）。随着交联剂长度和离子基团数量的增加,交联膜的离子簇逐渐变大,吸水率和氢氧根传导率也显著提高。其中,CQPAES-4膜取得最高的吸水率和氢氧根传导率,在80°C时分别为80.7%和78.7 m S/cm。此外,DABCO分子和脂肪烷烃的引入分别增加了离子基团的空间位阻和β氢原子的电子云密度,提高了AEM的耐碱稳定性。此外,将低聚体DABCO-4接枝到氧化石墨烯表面,得到季铵化改性的氧化石墨烯（QBGO）,并将其作为交联剂引入聚合物中,制备出一系列掺杂交联型AEM。由于交联作用,聚合物更加有序的分布在石墨烯片层两侧,从而形成更加连贯的离子传输通道。相较于CQPAES-x交联膜,QBGO掺杂交联膜具有更高的吸水率和氢氧根传导率。通过H2/O2单电池测试,QPAES/QBGO-2.0膜在80°C下的最大功率密度达到75.7 m W/cm~2。综上表明,本文制备的聚芳醚类聚合物电解质膜物化稳定性好,离子传导率高,能满足燃料电池应用的基本需要。同时,本文也研究了聚合物材料对性能的影响因素,为后续设计出高性能聚合物电解质膜提供了方法和思路。