碱性阴离子交换膜燃料电池用含氟聚合物阴离子交换膜的制备与表征

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燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由于其高的能量转化效率,低污染,低噪音,已经被公认为是解决未来能源问题的主要途径之一。半个多世纪以来,燃料电池技术已获得重大进展,已被成功地用于航天和潜艇等特殊领域。  碱性阴离子交换膜燃料电池在碱性条件工作,具有可以使用非贵金属作为催化剂,燃料渗透率低等诸多优点。碱性阴离子交换膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的重要组成部分之一,具有选择性导通OH-、隔绝电子及形成电流回路的作用,膜的性能直接影响到电池的性能。本论文制备了两种含氟聚合物阴离子交换膜,并评估了这两种膜在碱性阴离子交换膜燃料电池中应用的可能性。  一、以甲基丙烯酸六氟丁酯(HFMA)、4-乙烯基吡啶(4-VP)以及甲基丙烯酸正丁酯(BMA)为原料,用偶氮二异丁氰(AIBN)作为引发剂进行自由基聚合,制备了含氟聚合物;采用相转移法制备了含氟聚合物膜;分别用盐酸和正溴丁烷的环己烷溶液进行季铵化,用NaOH水溶液进行碱化制备得Membrane1#和Membrane2#两组氢氧型含氟聚合物阴离子交换膜。该氢氧型含氟聚合物阴离子交换膜在30~120℃内具有良好的热稳定性。Membrane1#的室温下含水率为34.7wt%,离子交换容量为1.71mmol·g-1;Membrane2#的室温下含水率为56.38wt%,离子交换容量为0.65mmol·g-1。Membrane1#和Membrane2#在30℃下离子电导率分别为2.7×10-2S·cm-1和0.47×10-2S·cm-1。30~90℃范围内膜的电导率随温度的升高而增大。Membrane1#和Membrane2#在6mol·L-1的KOH水溶液及芬顿试剂(4ppmFeSO4·3%H2O2)中具有良好的稳定性。以Membrane1#制备的膜电极,应用于碱性甲醇燃料电池。在60℃下,电池的开路电压为0.74V,电流密度为250mA·cm-2下功率密度峰值为127.68mW·cm-2,具有在碱性阴离子交换膜燃料电池中应用的可能。  二、以甲基丙烯酸三氟乙酯(TFMA)、氯甲基苯乙烯(VBC)以及甲基丙烯酸正丁酯(BMA)为原料,用偶氮二异丁氰(AIBN)作为引发剂进行自由基聚合,制备了含氟聚合物;采用相转移法制备了含氟聚合物膜;分别用吡嗪环己烷溶液、三甲胺水溶液、三乙胺水溶液进行季铵化,制备得MembranePN、MembraneTMA和MembraneTEA三组氢氧型含氟聚合物阴离子交换膜。该氢氧型含氟聚合物阴离子交换膜在30~150℃内具有良好的热稳定性。MembranePN、MembraneTMA在6mol·L-1的KOH水溶液中具有良好的稳定性;MembranePN、MembraneTMA和MembraneTEA在芬顿试剂(4ppmFeSO4·3%H2O2)中具有良好的稳定性。室温下,MembranePN的含水率为70wt%,离子交换容量为0.573mmol·g-1;MembraneTEA的含水率为67.86wt%,离子交换容量为0.746mmol·g-1;MembraneTMA的含水率为64.71wt%,离子交换容量为1.389mmol·g-1;25℃下,MembranePN、MembraneTEA和MembraneTMA离子电导率分别为0.523×10-2S·cm-1、0.716×10-2S·cm-1和1.887×10-2S·cm-1,25~75℃范围内膜的电导率随温度的升高而增大。MembraneTMA的电导率在75℃时达到4.228×10-2S·cm-1,具有在碱性阴离子交换膜燃料电池中应用的可能。
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