質(zhì)子交換膜微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)憑借其高能量轉(zhuǎn)化率、高功率密度、環(huán)境友好、室溫下啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，在便攜電器、分布式電站和電動(dòng)汽車(chē)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜(PEMs)是PEMFC重要的核心部件，膜的電導(dǎo)率對(duì)電池性能有重要的影響。PEMs由疏水的骨架和親水的離子簇構(gòu)成，離子簇形成質(zhì)子導(dǎo)電的通道。本研究試圖通過(guò)調(diào)節(jié)膜內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)在膜內(nèi)構(gòu)建寬暢、直通的質(zhì)子通道，從而提高膜的電導(dǎo)率。
　　為提高磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜性能，我

2、們首次將小分子凝膠模板劑3,4-二甲基苯甲醛(DMBA)引入SPEEK鑄膜液內(nèi)鑄膜。借助 DMBA在鑄膜液中發(fā)生聚集形成疏水模板，促使SPEEK的主鏈骨架規(guī)整有序排列，并且DMBA的極性醛基誘導(dǎo)SPEEK磺酸基團(tuán)在膜內(nèi)聚集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鑄膜液中引入DMBA使膜內(nèi)離子簇增大、抗溶脹性和抗拉強(qiáng)度顯著提高。這為SPEEK膜高磺化度下過(guò)度溶脹、低磺化度下電導(dǎo)率不足的難題提供了解決途徑。
　　為提高磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜電導(dǎo)率性能，

3、我們首次采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和碳酸二乙酯(DEC)的雙溶劑鑄膜液澆鑄SPEEK膜。低極性的非溶劑DEC誘導(dǎo)SPEEK發(fā)生自組裝，形成較大的聚合物團(tuán)聚體。雙溶劑澆鑄的SPEEK膜電導(dǎo)率和吸水率明顯提高。在垂直膜面方向?qū)﹄p溶劑鑄膜液施加不同類(lèi)型的電場(chǎng)，制備了具有定向結(jié)構(gòu)的SPEEK膜。在頻率f=1Hz，交流場(chǎng)強(qiáng)3500 V·cm-1時(shí)，制備的SPEEK定向膜具有最高的電導(dǎo)率。相比直流電場(chǎng)定向制膜，交流電場(chǎng)定向制膜可以更為顯著地

4、改善膜的性能，這歸因于交流電場(chǎng)下消除了電泳的影響。
　　為提高全氟磺酸Nafion膜電導(dǎo)率，我們首次將低極性的非溶劑對(duì)二甲苯(PX)引入到Nafion/DMF鑄膜液體系中鑄膜。低極性的非溶劑PX誘導(dǎo)Nafion發(fā)生自組裝，形成不透明的鑄膜液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用雙溶劑鑄膜液制備的Nafion膜具有較大的離子團(tuán)簇，并且電導(dǎo)率和吸水率均有提高。通過(guò)對(duì)雙溶劑鑄膜液施加垂直膜面方向的交流電場(chǎng)，制備了具有定向結(jié)構(gòu)的Nafion膜。在頻率f=1