用于聚合物電解質(zhì)燃料電池的輻射接枝膜的制備

1、聚合物電解質(zhì)燃料電池用輻射接枝膜的研究摘要摘要聚合物電解質(zhì)燃料電池的高成本問題是限制燃料電池商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。輻射接枝法制備質(zhì)子交換膜大大降低了成本，因?yàn)樵牧蟽r(jià)格低廉而且它的準(zhǔn)備階段是基于已有的工業(yè)生產(chǎn)過程。輻射接枝膜已經(jīng)成功地應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的膜分離技術(shù)中。本論文研究了輻射接枝膜在燃料電池方面的應(yīng)用，以及與燃料電池相關(guān)的膜性能測(cè)試，包括膜電極的制備、電化學(xué)性能和單電池或電池堆的持久性問題，以及關(guān)于失敗情況的研究和事后的總結(jié)分析。分

2、別對(duì)輻射接枝膜在氫氣燃料電池和甲醇燃料電池上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。優(yōu)化的苯乙烯或其他交聯(lián)劑接枝磺化后所表現(xiàn)出來的特性可與全氟磺酸膜進(jìn)行對(duì)比，例如可以將甲醇滲透率降到更低值，驗(yàn)證了電池在實(shí)際狀況下工作幾千個(gè)小時(shí)的持久性問題。另外，苯乙烯的衍生單體具有更強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，為增強(qiáng)膜的持久性和提高工作溫度提供了廣闊的前景。關(guān)鍵字關(guān)鍵字膜電極聚合物電解質(zhì)燃料電池質(zhì)子交換膜輻射接枝1緒論目前聚合物電解質(zhì)燃料電池技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)成熟的階段，這也就意味著便

3、攜式領(lǐng)域的一系列利基市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)入了商業(yè)化模式。例如Ballard公司[1]的AirGenTM燃料電池或Smart燃料電池[2]的直接甲醇燃料電池功率包。然而，十年前重要經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域如分布式電源、電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品的大規(guī)模的市場(chǎng)引進(jìn)至今也沒有實(shí)現(xiàn)。一方面的原因是其功能要求必須達(dá)到一個(gè)令人滿意的水平。這些功能要求是在溫度高于100℃時(shí)固定和移動(dòng)應(yīng)用程序的PEFC成分的穩(wěn)定性和可操作性，在較溫和的溫度下低甲醇滲透的直接甲醇燃料電池膜的循環(huán)和冷

4、啟動(dòng)能力以及材料、組件和系統(tǒng)的整體可靠性。另一方面，就目前建立的技術(shù)，該燃料電池組件的成本沒有競(jìng)爭(zhēng)力，這不僅是由于產(chǎn)品體積不足，也是因?yàn)樽陨聿牧系某杀据^高。質(zhì)子交換膜是PEFC的關(guān)鍵組件。在目前的技術(shù)狀態(tài)，主要應(yīng)用于PEFC的全氟磺酸膜有Nafion（DupontUSA)、Flemion(AsahiGlassJapan)、生活性自由基；（2）預(yù)輻照法（俘獲自由基），這種方法是在基膜與單體接觸前將基膜置于真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行輻照以產(chǎn)生

5、自由基；（3）預(yù)輻照法（氫過氧化物方法），在空氣或氧氣中對(duì)基膜進(jìn)行輻照后主要形成氫過氧化物，氫過氧化物在高溫下會(huì)分解引發(fā)接枝反應(yīng)(圖1)[9]。圖1輻射接枝膜的合成路線2.1基膜和單體聚合物薄膜種類繁多，全氟聚合物膜，部分氟化和純烴材料已被用來作為輻射接枝制備燃料電池膜的基膜(表1）。苯乙烯因其是一種非常常見的化學(xué)品而且其芳香環(huán)很容易引入具有離子交換功能的基團(tuán)而被視為最受歡迎的單體。丙烯酸類單體不適用于制備燃料電池膜，因?yàn)轸人幔╬Ka=

6、23）的酸性較磺酸（pKa＜1）弱很多。由于聚苯乙烯在燃料電池環(huán)境下易受氧化降解的影響，考慮使用固有的更穩(wěn)定的取代苯乙烯單體（表2)。三氟苯乙烯（TFS）是不含氫的乙烯基單位，這使得它的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)[10]。然而，TFS符合貧聚合動(dòng)力學(xué)理論，因此，嫁接子交換膜中使用了取代TFS單體，如對(duì)位甲基、甲氧基或苯氧基TFS，這些取代基對(duì)于接枝都表現(xiàn)出很高的活性[1516]。對(duì)磺酰氟三氟苯乙烯也可以用作單體時(shí)間很長(zhǎng)[1113]。并且聚三氟苯乙烯