摘要
燃料电池(Fuel Cell),是将燃料（氢气、碳氢化合物等）中的化学能直接转化为电能的电化学装置。其中,高温质子交换膜燃料电池由于燃料电池运行温度的提高,提高了铂基催化剂对一氧化碳(CO)的耐受性、同时提高电化学反应速率、降低对燃料纯度的要求和简化水热管理系统等优点,成为被世界范围内广泛研究的燃料电池之一。作为高温质子交换膜燃料电池核心部件的高温质子交换膜的开发和研究也备受重视。虽然以聚苯并咪唑(PBI)为代表的高温质子交换膜被认为是最有前途的膜材料,但由于其溶解性差、制备过程复杂、难以加工等缺点限制其商业化的应用。因此,高效、成本低、制作过程简单、易于加工、耐高温特别是无水环境下高质子传导率的新型高温质子交换膜的开发成为亟需解决的问题。 本论文选用成本低,拥有优异热稳定性、电化学性能和结构简单易于加工改造的聚苯醚(PPO)作为高温质子交换膜的基体。通过对聚苯醚的改造得到掺杂磷酸的聚苯醚基高温质子交换膜,并对其进行表征和性能研究。具体研究内容如下: 第一部分:咪唑化聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究 通过聚苯醚的溴甲基化反应得到溴代聚苯醚(BPPO),然后将BPPO分别与1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、1-丙基咪唑、1-丁基咪唑、1-乙烯基咪唑反应得到含有不同烷基咪唑基团的咪唑化聚苯醚（Im-PPO）。通过溶液浇铸法成膜并对膜的各项性能进行测试。随咪唑烷基侧链长度的增加,膜的性能存在差异。通过研究,引入1-甲基咪唑(1-MeIm)的(MeIm-PPO)高温质子交换膜性能最为优异,其中质子传导率达到37 mS/cm。 第二部分:季胺化聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究 通过聚苯醚的溴甲基化反应得到溴代聚苯醚(BPPO),将BPPO与三甲胺、三乙胺、三丙胺反应得到不同季胺化聚苯醚(QPPO)。通过溶液浇铸法制备高温质子交换膜,并对膜的性能进行表征和测试。得到引入三甲胺侧链的TriMe-PPO复合膜性能最好,质子传导率达到30mS/cm。 第三部分:基于离子液体聚苯醚基高温质子交换膜的制备与性能研究 首先制备不同磺化度的磺化聚苯醚(SPPO),并研究氯磺酸加入量与磺化度和离子交换容量的关系。然后制备离子液体1-甲基-3-甲基咪唑鎓盐(1-methyl-3-methylimidazolium),与磺化聚苯醚(SPPO)通过自组装得到复合膜。对膜进行表征和性能测试。质子传到率最高达到26.4mS/cm。
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