碱性燃料电池专用阴离子交换膜OH-传导与膜稳定性调控研究

Fuel cells can directly transform chemical energy in liquid fuels into electric energy with high efficiency. Additionally, the energy conversion rate in alkaline anion exchange membrane fuel cells can reach up to 70%. It was believed that the research in anion exchange membrane fuel cell can help to mitigate the environmental problems brought out by fossil fuels. Anion exchange membrane is the most important component. It has attracted great attention among researchers in both China and the world and becomes the hottest topic in recent years. This project will emphasis on the dilemma between stability and high anion conductivity. We aim to fabricate anion exchange membranes with phase separated morphology for enhanced stability and conductivity. By increasing the mobility of the pendant functional groups and controlling the length of spacer between the functional groups and the polymer main chain, the phase separation behavior will be carefully investigated and monitored. We also try to make mechanical strengthened anion exchange membrane with interpenetrating polymer network to solve dilemma between high conductivity and low mechanical stability. By introducing different anion conductive mechanism, the fabricated anion exchange membrane is believed to possess both high conductivity and high stability. Finally, the membrane fabrication method will be optimized to find the most promising candidate(with high alkaline stability, high mechanical stability and high anion conductivity) which would be utilized in alkaline direct methanol fuel cells.

燃料电池可以高效率的将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转换为电能，其中碱性离子膜燃料电池的能量转化效率可高达70%，对该领域的研究有望解决化石燃料枯竭及环境污染问题。对碱性阴离子交换膜的核心部件——阴离子交换膜的研究已成为国内外的热点、重点问题，本项目针对文献报道膜材料稳定性与离子电导之间的矛盾问题，拟制备出具有微相分离结构的阴离子交换膜；通过增加功能基团的运动能力、控制功能集团与主链间的“支臂”长度，调控制备出具有微相分离结构的阴离子交换膜，研究微相分离结构形成的规律；探索一种具有互穿网络结构的阴离子聚合物膜材料的制备方法及性能调控；同时通过混合传导机制的引入，调控膜材料稳定性与离子传导特性直接之间的矛盾。最终通过结构优选，制备出具有高碱稳定性、高机械稳定性、高离子传导能力的阴离子交换膜材料并考察其在碱性直接甲醇燃料电池中的应用。

阴离子交换膜燃料电池可以将储存在燃料中的化学能高效转化为电能，可有效缓解化石燃料枯竭以及化石燃料过度利用带来的环境问题；碱性操作条件使得该类型电池不依赖贵金属催化剂，大大降低了电池的成本。其核心部件，阴离子交换膜，可以阻隔燃料混合，同时传递离子；然目前阴离子交换膜的性能，包括离子电导率和稳定性，难以满足实际应用的需求。.阻碍阴离子交换膜材料发展的关键科学问题是：如何解决阴离子交换膜材料电导率和稳定性之间的矛盾？这一矛盾主要由两方面构成，机械稳定性和电导率之间的矛盾以及化学稳定性和电导率之间的矛盾。为了解决这一问题，本项目开展了系列研究，制备了多种新型的阴离子交换膜材料。具体包括：（1）利用Wittig反应和Suzuki偶联反应，制备了具侧长链结构的阴离子交换膜，通过调控主链和功能基团的间隔，增强功能基团的运动能力，诱导功能基团微相分离，形成高效离子传递通道；（2）开发新型的基于超支化主链的阴离子交换膜材料，通过引入柔性链段和交联，解决超支化聚合物无法成膜的关键问题，制备了具有高电导率、高稳定性的阴离子交换膜；通过调控超支化阴离子交换膜的微相分离结构，实现了高电导率和高稳定性；（3）开发了系列基于聚苯醚的交联型、可回收型、可自修复型阴离子交换膜，解决了阴离子交换膜的机械稳定性问题；（4）通过在膜内引入大体积功能基团，调控离子传递通道，实现OH-离子的高效传递；在自由体积概念的启发下，开发了自具微孔阴离子交换膜材料，在极低的IEC下即可获得高的OH-电导率，同时保证阴离子交换膜的耐溶胀性。.基于本项目所制备的膜材料，我们进行了燃料电池的组装和测试，获得了较高的功率密度，膜材料的燃料阻隔、难溶胀性能优异。本项目的顺利实施以及在项目研究中获得的科学调控离子膜电导率和稳定性的方法，将为阴离子交换膜及其燃料电池的发展提供基础依据并促进其快速发展。