用于碱性膜燃料电池的新型聚苯醚阴离子交换膜的制备与性能

以2,6-二甲基聚苯醚(PPO)为原料, 经溴代及N-甲基咪唑季铵化反应, 制备了N-甲基咪唑季铵化PPO, 并进行了红外光谱(FTIR)和氢核磁共振波谱(¹H NMR)表征.所得季铵化产物与聚乙烯醇(PVA)按不同比例共混后用戊二醛交联成膜, 在碱性液中浸泡转化为OH^-型, 得到一系列阴离子交换膜.通过扫描电子显微镜(SEM) 、交流阻抗(AC)、拉伸实验和热重分析(TGA)等手段考察了膜的微观形貌及电导率、力学性能、热稳定性及耐碱性等性能.结果表明, 膜的外观形貌平整均一; 含水率为50.4%~151.2%; 溶胀度为79.2%~164.2%; 离子交换容量为0.47~1.52 mmol/g; 90℃时, M4膜的电导率高达49.1 mS/cm; 断裂伸长率达到128%, 极大改善了PPO膜应力易裂的状况.同时, N-甲基咪唑鎓基团分解温度达到170℃, 高于常用的阴离子交换膜中的季铵基团(120℃).在2 mol/L的NaOH溶液中浸泡192 h后, 电导率仅下降19%, 具备良好的耐碱性能力.     

碱性阴离子交换聚合物膜研究进展

碱性燃料电池(AFCs)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置,因其高效、环保等优点,得到了科学界与工业界的广泛关注。阴离子交换聚合物膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组成部分,要求其具备优异的电导率、良好的化学稳定性及力学强度。本文主要从聚合物主链及阳离子官能团的结构与性能之间的关系及调控方式方面,综述了碱性阴离子交换膜的研究进展。     

ATRP法制备侧链型聚醚醚酮阴离子交换膜

以二氟二苯甲酮、双酚A和邻甲基氢醌单体缩聚合成聚醚醚酮(PEEK)作为基膜材料.PEEK经修饰改性合成带有异丙基溴端基PEEK,以此为原子转移自由基聚合(ATRP)大分子引发剂,通过ATRP法在PEEK主链上接枝引入聚甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯(DMAEMA)侧链,得到梳状PEEK接枝聚合物(PEEK-gDMAEMA).用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、核磁共振氢谱(1H-NMR)、热重分析(TG)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对PEEK-g-DMAEMA的结构进行表征.实验结果表明,甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯被成功地接枝在聚醚醚酮主链上,PEEK-g-DMAEMA膜具有明显的亲水疏水微相分离形貌,叔胺基团相互聚集成形成离子通道.接枝聚合反应10 h,PEEK-g-DMAEMA膜的离子交换容量为2.07 mmol·g-1,以此膜为电解槽隔膜,2 h的OH-离子透过率达0.15 mol·L-1,说明PEEK-g-DMAEMA膜具有良好的离子交换能力.     

直接甲醇燃料电池中质子交换膜的研究进展

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键部件之一. 本文系统地介绍了近三年来DMFC中质子交换膜研究的最新进展.     

聚砜阴离子交换膜的制备及结构与性能研究

以1,4-二氯甲氧基丁烷(BCMB)为氯甲基化试剂,使聚砜(PSF)发生氯甲基化反应,制得了氯甲基化聚砜(CMPSF),考察了主要因素对聚砜氯甲基化反应的影响,并使用FTIR及1H-NMR等法对CMPSF的化学结构进行了表征.采用三乙胺(TEA)、三丙胺(TPA)及三丁胺(TBA)等3种叔胺对CMPSF进行了季铵化反应,并以4,4′-联吡啶为交联剂实施了交联反应,制备了聚砜阴离子交换膜(PSFAEM).测定了交换膜PSFAEM的主要性能,包括离子交换容量(IEC)、含水量(WC)及膜电阻(Rm).实验结果表明,使用BCMB,聚砜的氯甲基化反应可顺利进行,以氯仿为溶剂,以SnCl4为Lewis酸催化剂,可制得氯甲基化程度为1.75mmol/g的CMPSF.交换膜PSFAEM的IEC、WC及Rm与季铵化反应时间及叔胺的种类密切相关.季铵化反应时间相同时,采用烷基中碳原子数少的叔胺TEA所制备的交换膜具有高的IEC与WC,低的Rm;使用同一种叔胺时,随季铵化反应时间的增长,交换膜的IEC与WC增大,Rm减小.     

直接甲醇燃料电池中的膜性能比较

制备了磺化聚醚醚酮(SPEEK)和磺化酚酞型聚醚砜(SPES-C)两种质子交换膜,考察了其质子导电和阻醇性能.实验发现,两种新型质子交换膜具有一定的化学稳定性和质子电导率,尤其在高温下两种新膜的质子电导率与Nafion膜接近.两种新膜的甲醇透过系数要比Nafion膜的低1～2个数量级.分别以两种新型膜和Nafion115膜为电解质制备了直接甲醇燃料电池膜电极,讨论了膜材料的性能对直接甲醇燃料电池性能的影响.结果表明,膜材料的阻醇性越好,电池的开路电压越高;膜的电导率越高,在较高电流密度区域内电池的性能越好.     

直接甲醇燃料电池质子膜研究进展

本文对直接甲醇燃料电池(DMFC)质子交换膜的要求及目前的研究状况作了简要的概述,特别是从基膜材料结构角度进行分类,较详细地介绍分析以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜的各种改性研究及以PBI、PEEK、PSU等基膜材料为代表的聚芳环系列的DMFC质子交换膜的研究情况.总结了质子交换膜的一些研究方法,对直接甲醇燃料电池质子交换膜的发展前景进行了探讨。     

侧链磺化型含氟聚芳醚质子交换膜的制备及性能

在含氟聚芳醚侧链引入磺化萘酚基团,制备了一类侧链磺化型含氟聚芳醚(s SPFAE),采用溶液浇铸法制膜并对膜进行了表征和分析.制备的膜材料离子交换容量达到1.42~2.03 mmol/g,均透明柔韧,杨氏模量高于1.0 GPa,拉伸应变达到66%~105%.吸水性及膨胀性测试结果表明该系列膜具有较低的吸水率和良好的尺寸稳定性,在测试温度范围内(30~90℃)吸水率为21%~51%,尺寸变化率低于7%.s SPFAE膜具有良好的热稳定性及氧化稳定性,TGA测试中320~360℃时的重量损失低于5%,在Fenton溶液中80℃处理1 h后的失重率小于2%.同时,该系列膜表现出较高的电导率水平,如SPFAE-0.8膜(IEC=2.03 mmol/g)在80℃时电导率达到217 m S/cm.     

交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜的制备

采用简便环保的方法制备了具有低溶胀、高离子交换容量(IEC)的交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜.随着交联度的提高,膜的吸水率和溶胀率降低,说明交联可以抑制膜的溶胀.20℃时所有交联膜的离子传导率均达0.045 S/cm以上,拉伸强度在50.1 MPa以上,表明在高IEC值下,交联膜仍具有良好的力学性能和较高的离子传导能力.同时,交联度提高会加强膜的甲醇阻隔性能.     

质子交换膜燃料电池的研究

通过测定电压－电流密度曲线等方法研究质子交换膜燃料电池的电极参数。构造了Ｅｃｅｌｌ＝０．７Ｖ，Ｉ＝０．５５Ａ／ｃｍ＾２并能够稳定运行的燃料电池。改进电池的电极结构，研究了各种操作条件如温度，压力，增湿情况，尾气流量等对电池性能的影响。     

Novel Crosslinked Alkaline Exchange Membranes Based on Poly(phthalazinone ether ketone) for Anion Exchange Membrane Fuel Cell Applications

Novel crosslinked anion exchange membranes based on poly(phthalazinone ether ketone) (PPEK) were successfully prepared through chloromethylation, quaternization, membrane casting and OH‐ ionic exchange reaction from the quaternized PPEK (QPPEK) membrane. The quaternization was performed with N‐methylimidazolium (MIm) as ammonium agent and tetramethylethylenediamine (TMEDA) as crosslinking agent. The ion‐exchange capacity, swelling ratio (SR), water uptake (WU), and ionic conductivity of the QPPEK alkaline membranes have been systematically investigated. The results showed that QPPEK membranes have a high hydroxide conductivity and very low SR. For the QPPEK‐4 alkaline membrane with ion‐exchange capacity (IEC) 2.63 mmol/g, the WU was 35.8%, and the hydroxide conductivity was 0.028 S/cm at 30 °C and 0.032 S/cm at 70 °C, while its SR was only 7.6%. The thermal properties of the QPPEK alkaline membrane and CMPPEK were characterized using thermo‐gravimetric analysis measurements in a nitrogen atmosphere. The alkaline resistance of membrane QPPEK ?4 was also briefly investigated in 6 M KOH at 60 °C. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2013 , 51, 1632–1638     

Effect of Sulfonation Degree on Performance of Proton Exchange Membranes for Direct Methanol Fuel Cells

A series of proton exchange membranes based on sulfonated polyarylene ether ketones(SPAEKs) was used to study the effect of sulfonation degree on proton conductivity, methanol permeation and performance of direct methanol fuel cells(DMFCs). Dependences of physical characteristics of the membranes, i. e., proton conductivity, water uptake, swelling ratio, methanol permeability and ion exchange capacity(IEC) were systematically studied. Both methanol permeability and proton conductivity of the SPAEK membrane grow rapidly as the increase in sulfonation degree since methanol molecules and protons share the same transfer channel. However,the methanol permeability plays more important role comparing to proton conductivity. As a result, the SPAEK membrane with a medium sulfonation degree(60%) was found to yield the best performance in a DMFC due to the acquirement of balanced conductivity and methanol permeability.     

含杂萘联苯结构聚合物膜的直接甲醇燃料电池性能

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键组成部分. 通过磺化制备了磺化杂萘联苯聚醚酮(SPPEK)、磺化杂萘联苯聚醚砜(SPPES)和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)三种含杂萘联苯结构的新质子交换膜, 测试了其热稳定性、质子导电性和甲醇透过性能. SPPESK的热分解温度比相近离子交换容量(IEC)的SPPEK和SPPES约低100 ℃, 三种膜均具有良好的导电和阻醇性能; 分别以三种膜为电解质组装DMFC考察了其性能, DMFC的开路电压随膜的阻醇性的提高而增大, 三种膜的开路电压均高于Nafion115膜, 但在较高电流密度的区域三种新膜的性能均比Nafion115膜差.     

Polymers with Tethered Anionic and Cationic Groups as Membranes for Fuel Cells

Ionic clustering, water binding, and ion conductivity were studied in polymers functionalized with sulfonic acid and quaternary ammonium hydroxide groups. Small-angle x-ray scattering showed that no clustering occurred in the quaternary ammonium containing anion exchange membranes, while evidence of ionic clusters was present in both sulfonated poly(phenylene) and in Nafion, a poly(perfluorosulfonic acid). Interestingly, the water self-diffusion coefficients of the anion exchange membranes were generally greater than those observed for the sulfonated poly- (phenylene)s, and moreover, the water self diffusion coefficients in anion exchange membranes were not a strong function of diffusion time. The water binding behavior lead to increased normalized conductivity in anion exchange membranes as compared to proton exchange membranes at the highest ion exchange capacities.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池（APEMFC）因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题. 作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料. 为此,大量研究被开展和报道. 本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展：包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等. 尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池（APEMFC）因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题. 作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料. 为此,大量研究被开展和报道. 本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展：包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等. 尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFC)因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题.作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料.为此,大量研究被开展和报道.本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展:包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等.尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.