高电导率、低溶胀的碱性聚电解质膜的实现策略

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1、2015年6胃第41卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2015V01．41No．6http：?}bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0174高电导率、低溶胀的碱性聚电解质膜的实现策略相艳+，司江菊(北京航空航天大学化学与环境学院，北京100191)摘要：碱性聚电解质膜燃料电池(APEMFC)作为质子交换膜膜燃料电池的替代，由于其可以使用非贵金属催化剂、氧还原反应动力学快及成本低等众多优点

2、，近年来获得了长足的发展．作为其中一个关键部件，碱性聚电解质(APE)膜在APEMFC中扮演着重要的角色．然而，由于OH一的淌度明显低于H+，碱性聚电解质膜的性能尤其是电导率相对较低．通过提高聚合物中离子基团的接枝度(GD)，获得高的离子浓度可以在一定程度解决这个问题．但是，这种方法往往导致聚合物膜过度亲水溶胀，机械强度大幅下降．由此看来，电导率和溶胀成为了两个影响电池性能的异常重要但又相互矛盾的因素．本文综述了近些年来解决这个矛盾的一些策略，如物理手段、化学交联、离子基团在侧链上的富集以及通过亲水／疏水相分离结构构建高效的离子传输通道等．这些手段都能在一定程度上实现在低的吸水和溶胀下获得

3、高的电导率．关键词：碱性聚电解质(APE)膜；离子电导率；吸水率；交联；亲水／疏水相分离中图分类号：0646文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)06-0961-08近年来，以碱性聚合物作为电解质隔膜的碱性聚电解质膜燃料电池(AlkalinePolymerElectro—lytesMembraneFuelCells，APEMFC)引起了科学家们的广泛关注，因为APEMFC所提供的碱性环境具有许多突出的优势：1)在碱性条件下，阴极氧还原反应的催化动力学明显优于酸性环境．2)在碱性条件下可以采用非贵金属催化剂，扩大催化剂的选择面，降低了燃料电池的成本．3)OH一的迁移方向与燃料

4、的渗透方向相反，降低了燃料在电解质膜中的渗透．4)碱性聚电解质(APE)膜可以采用不含氟的碳氢聚合物主链，能够大幅降低聚合物膜的成本¨。1“．作为其中一个关键部件，碱性聚电解质(APE)膜在APEMFC中扮演着两种角色：①是作为分隔阴、阳两电极并传导OH’的隔膜材料；②是作为燃料电池催化层黏结剂和离子传导介质的聚电解质材料．为了保证燃料电池高效、稳定、长时间地运行，燃料电池中的APE膜必须同时满足高的电导率、机械强度和稳定性、低的吸水和溶胀．然而，由于OH一的淌度明显低于H+，与酸性聚电解质膜相比，APE膜的电导率相对较低⋯1．为了提高APE膜的电导率，通常的做法是通过提高聚合物中离子基团

5、的接枝度(GraftingDegree，GD)，从而获得高的离子浓度和离子交换容量(IonExchangeCapacity，IEC)¨4。8

6、．但是，这种方法往往导致聚收稿日期：2015433—26；录用日期：2015-04一18；网络出版时间：2015435-0710：58网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150507．1058．001．html基金项目：国家自然科学基金(1422301，U1137602)；国家“863”计划(2013AA031902)+通讯作者：相艳(1974一)，女，山东曲阜人，教授，xiangy@buaa．ed

7、u．cn，主要研究方向为新能源材料与器件的设计与计算模拟．引用格式：相艳，司江菊．高电导率、低溶胀的碱性聚电解质膜的实现策略fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41∞)：961．968XiangY，SijJ．StrategiesforreconcilingtradeoffbetweenconductivityandswellinginalkalinepolymerelectrolytesmembmneIJ]JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(6)：96I一968(inChinese)．962北京航

8、空航天大学学报2015年合物膜过度亲水，在吸人大量的水后膜剧烈溶胀，机械性能大幅下降．在较高温度下，聚合物膜甚至会溶解在水中，难以满足燃料电池的应用要求．由此看来，电导率和溶胀成为了两个影响电池性能的异常重要但又相互矛盾的因素．解决这个矛盾获得具备良好的综合性能的APE膜成为一项非常有挑战性的科学难题¨⋯．本文综述了近几年来解决这个矛盾的物理和化学方法．1物理手段抑制过度的溶胀APE膜的过度溶胀是由于离子基团的接枝度过高