试析直接甲醇燃料电池聚合物电解质的研究

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1、天津大学博士学位论文直接甲醇燃料电池聚合物电解质的研究姓名：李磊申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王宇新20030501摘要直接甲醇燃料电池(简称DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。DMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源，如电动车电源和手机电池。目

2、j{i，DMFC面临两大主要难题：一是甲醇从阳极向阴极的透过率高，B口膜的阻醇性能较差；二是阳极催化剂对甲醇氧化反应的活性低。本论文在新型阻醇导电膜材料方面进行了新的尝试。杂多酸是已知常温下质子导电率

3、最高的无机酸，被认为可用于燃料电池的新型固体电解质膜中。但顾虑到杂多酸的可溶性，人们的有关研究只限于针对氢氧型质子交换膜燃料电池，我们则首先考虑了其用于直接液体甲醇燃料电池的可能性。利用聚合物上官能团与杂多酸的相互作用，成功制备了可在甲醇水溶液中稳定存在的三类新型无机一有机质子导电复合膜：杂多酸掺杂聚乙烯醇复合膜(HPAs／PVA)、磷钨酸掺杂磺化聚醚醚酮(PWA／SPEEK)复合膜和磷钨酸掺杂磺化酚酞型聚醚砜(PwA／sPEs—C)复合膜。研究了杂多酸的种类、杂多酸的掺杂量、工作温度等因素对这些无机一有机复合膜的机械、导电及阻醇性能的影

4、响。实验结果发现，杂多酸的掺入，可很好改善复合膜的导电性能，使其导电性能在高温下优于Natio一115膜；且复合膜的甲醇透过系数均在10-7cm2／s，比Nation。115膜低一个数量级，具有良好的阻醇性能。制备了不同磺化度的SPEEK和SPES．C膜，并首次考察了这二类新型膜用于DMFC的可行性。实验结果发现，磺化度为46．71％的SPEEK膜和磺化度为70．21％的SPES—C膜在高温下的电导率在10-2S／cm，与Nation圆115膜电导率相当；且膜的甲醇透过系数(1ff。7cm2／s)比Nation固115膜低一个数量级，具有

5、良好的阻醇性能。80℃下，以磺化度为46．71％的SPEEK膜为电解质组装的DMFC的晟大功率密度为57．5mW／cm2，优于Nation@115膜(49mW／cm2)。首次研究了不同预处理方法对SPEEK膜的电导率、甲醇透过系数和电池性能影响。发现残留DMF将与SPEEK中．S03H基团相互作用，降低SPEEK膜的质子化程度，进而影响膜的导电及阻醇性能。为了解决DMFC阳极催化剂成本高、易中毒等问题，本文首次提出DMFC采用碱性电解质工作的设想，并对新型阴离子交换膜进行前期研究。通过氯甲基化、胺化、水解等反应，制得了OH型季胺化酚酞型聚

6、醚砜阴离子交换膜。室温下，膜在NaOH水溶液中的离子电导率为10’4S／cm。膜的甲醇透过系数在10一cm2／s，具有较好的阻醇性能。关键词：直接甲醇燃料电池；碱性直接甲醇燃料电池：质子导电膜；杂多酸：聚乙烯醇：聚醚醚酮：酚酞型聚醚砜ABSTRACTDirectmethanolfuelcells(DMFC)haveattractedconsiderableattentionasanalternativetothepresentpowersources，sincetheyoffernumerousbenefits，includinghigh

7、efficiency,highpowerdensity,loworzeroemissionsandeasyfuelcarriage．DMFCareexpectedtofindwideapplicationasaportableormobilepower，exemplifiedbybatteryforcellularphonesorengineforelectricvehicles．However，atpresent，twomajortechnologyproblemsinDMFCstillrestricttheirperformances

8、andapplications．Oneproblemisthecrossoverofmethanolthroughtheelectrolytemembrane．Theotherisslowmethanoloxidationkineticsontheanodecatalyst．Inthisstudy,developmentofmethanolbarrierconductingmembraneswasattempted．Heteropolyacids(HPAs)areknowntobethemostconductivesolidsamongt

9、heinorganicsolidelectrolytesatroomtemperature，andtheyareconsideredasanewkindofelectrolyteforfuel