聚合物两性离子交换膜燃料电池的研究

There are both cation exchange groups and anion exchange groups in an amphoteric ion exchange membrane. In this project, a new type of fuel cell, polymer amphoteric ion exchange membrane fuel cell, is put forward. The amphoteric ion exchange membrane is used as an electrolyte and prepared via radiation grafting methodology. By varying the irradiation and the grafting conditions, the anion exchange groups can be incorporated onto one side of the base film, while the cation exchange groups can be incorporated onto another side of the base film. The amphoteric ion exchange membrane fuel cell has several merits, such as, (1) Water is produced in the interface layer and the membrane can be kept wet, (2) The interfacial acid-base reaction will benefit the production and transmission of the ion, and the performance of the cell can be greatly improved, (3) Platinum-based catalysts are not necessary. This project will focus on the critical scientific problems and mechanisms of the polymer amphoteric ion exchange membrane fuel cell. The theory, methods and related research outcomes of this work will provide new perspectives and means for discovery, research and development for both membrane and fuel cell.

两性离子交换膜是指在一张膜的结构中同时存在阳离子交换基团和阴离子交换基团。本项目提出一种以聚合物两性离子交换膜为电解质的新型燃料电池，该膜是以含氟高分子膜为基膜，采用辐射接枝法在同一张膜的两侧分别接枝阳离子交换基团和阴离子交换基团制备而成。聚合物两性离子交换膜燃料电池主要优势是：（1）在阴、阳离子交换层的界面结合处OH-与H+结合生成水，避免了膜在高温下失水而导致电导率下降；（2）由于界面酸碱作用,离子产生和传递的速度加快，电池的性能将得到极大的提高；（3）可用非铂催化剂。本项目将瞄准燃料电池用两性离子交换膜制备技术的创新与突破，围绕两性离子交换膜燃料电池的关键科学问题，深入研究所涉及的机理，掌握单电池运行过程中膜和膜电极的稳定性及调控规律，为新型燃料电池的研究开发奠定理论基础和技术基础。

两性离子交换膜也叫阴阳膜， 即同一张膜内，同时含有阳离子交换基团和阴离子交换基团，两种基团有序、连续分布在膜内, 膜的一面全是阳离子交换基团，另一面全是阴离子交换基团。本项目开发了一种以聚合物两性离子交换膜为电解质的新型燃料电池，该膜是以含氟高分子膜为基膜，采用辐射接枝法在同一张膜的两侧分别接枝阳离子交换基团和阴离子交换基团制备而成。本项目的研究结果证明，两性离子交换膜燃料电池综合了质子交换膜燃料电池和阴离子交换膜燃料电池的优点，包括：（1）可以使用离子电导率较高的两性离子交换膜作为电池的隔膜并且两性离子交换膜的阴阳膜层厚度可以根据需要作出相应的调整；（2）氧还原反应更容易进行，因此阴极可以使用非贵金属催化剂；（3）质子和氢氧根离子分别从阳极和阴极迁移至两性离子交换膜中间界面层，与质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中只有单一的离子迁移相比，其离子的迁移路程更短；（4）燃料和氧化剂可以使用干燥的气体，电池可以省去复杂的加湿装置，大大简化了水的管理。.本项目还研发了新型的燃料电池催化剂，所制备的催化剂的催化活性是商业化Pt/C催化剂的5.3倍，稳定性良好。本项目以研究燃料电池用两性离子交换膜的制备技术为突破口，围绕两性离子交换膜燃料电池的关键材料和关键科学问题，深入研究所涉及的机理，研究电池运行过程中膜和膜电极的稳定性及调控规律，为新型燃料电池的研究开发奠定理论基础和技术基础。