梳状聚芳醚类质子交换膜的制备及性能研究

本项目从分子设计的角度出发，拟采用聚合物接枝和直接共聚合磺化单体的两种路线合成具有似Nafion的氟磺酸侧链和聚芳醚主链的梳状聚合物。通过系统研究主链结构、侧链长度和组成、磺酸基团密度和位置等对膜的微观形态以及性能的影响，制备性能优异并适合膜电极组装的高性能质子交换膜材料。通过引入不同的官能团对新型质子交换膜进行化学修饰，提高质子交换膜层与催化剂层的相容性和匹配性。对材料进行膜电极组装，并进行氢和直接甲醇燃料电池电化学性能和使用寿命等评价，在深层次探讨不同种类的质子交换膜的化学结构与组成-微观结构-电池性能的关系，进而为新一代的质子交换膜的研制提供有益参考。

燃料电池具有低排放和高转化率的特点，被认为是未来清洁能源之一。质子交换膜是环境友好燃料电池的核心部件，它的研发受到持续关注。本项目从分子设计的角度出发，采用直接磺化聚合物、直接共聚合磺化单体和聚合物接枝路线成功合成了多个系列梳状聚芳醚聚合物。这些聚合物包括短侧基磺化聚芳醚，带有柔性侧链的聚芳醚和带有似Nafion的氟侧链的聚芳醚，它们具有不同的结构特点和性能。我们通过系统研究主链结构、侧链长度和组成、磺酸基团密度和位置等对膜的微观形态以及性能的影响，制备出了性能优异的高性能质子交换膜材料。一些新型膜具有高质子传导率（> 0.12 S cm-1， 100 oC），低的尺寸膨胀率（<30 %，100RH and 100 oC）和低的燃料透过性。为了获得有利于质子传输的微结构，我们尝试了不同的制备方法。最终，获得了具有明显相分离微结构的梳状聚合物膜材料，它们具有更为优异的质子传输能力。对获得的膜材料成功进行了膜电极组装，并进行氢和直接甲醇燃料电池电化学性能等评价。一些实验结果很吸引人。在直接甲醇燃料电池中，2M的甲醇浓度下，0.5V下的电流密度可以达到165 mA/cm，优于已报道的同类聚合物和传统的Nafion膜。本项目在深层次探讨了不同种类的质子交换膜的化学结构与组成--微观结构--性能的关系，为新一代的质子交换膜的研制提供了有益参考。