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离子液体掺杂磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备与研究

易施政  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)由于其具有能量转换效率高和无污染等优点而在汽车和固定电站电源方面有着广泛的应用前景。提高燃料电池工作的温度可以解决催化剂毒化、简化水热管理和改善电池阴阳极的电化学反应动力学;而传统的质子交换膜材料(Nafion)由于其制造成本偏高、质子传导能力严重依赖于水分和较低的玻璃化温度等缺点限制了其在高温燃料电池中的应用;因此,开发出一种新型的适于高温下使用的质子交换膜材料成为实现燃料电池高温运行的关键,基于此,本文通过合成可控的磺化聚醚醚酮、制备出离子液体掺杂的复合质子交换膜,并对不同离子液体含量、成膜工艺等因素进行研究,此外也对高温下的质子传导机理进行初步的分析,得到以下结论: 1)合成了磺化度可控的SPEEK,通过对其性能的测试,发现其在高温下具有较好的热稳定性能和机械性能;制备了出不同类型的SPEEK/ILs复合膜,对其性能进行测试后发现:离子液体含量在60Wt%时,复合膜表现出较好的质子传导性能和机械强度;对复合膜表面电势(EFM)进行表征,发现在膜表面存在电势差,这是由吸附在膜表面的自由电荷所产生的,由于电势差的存在,为膜的质子传导提供了动力源泉; 2)流失实验发现:流失之后的复合膜的质子传导性能会急剧下降,其微观结构也会发生较大改变,流失率与咪唑环上的取代基有关,取代基的链长越长,流失率越小,癸基(C8)的流失率会好于丁基(C4),由于SPEEK/ILs复合膜是设计在高温下使用的,因此,离子液体随电化学反应生成水而流失现象预计不太严重,其在高温燃料电池中的流失有待进一步实验验证。 3)对于SPEEK/ILs膜质子输运机理,包含了两种输运机理:在低温下或者水分子存在的时候,会以Grutthuss机理为主,而当温度越高或者水分子不存在时,质子输运机理以车载机理为主导。


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