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燃料电池用阴离子交换膜的研究进展

来源:论文知识网作者:kaiting时间:2019-05-06 09:58

  【摘要】本文简单介分析了燃料电池用阴离子交换膜需要具备的特点,针对AEM电导率和稳定性提升展开了深入的研究,希望可以通过提升AEM电导率和稳定性方式使AEM性能得到改善和加强,更好的满足燃料电池实际需要,降低燃料电池生产成本,提高其性能,为我国社会经济的持续稳定发展做出相应贡献。

  【关键词】燃料电池;阴离子交换膜;研究进展

燃料化工论文

  1 引言

  阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)属于一种新的燃料电池技术,不仅具备全固态电池结构,同时还有着氧化还原反应速率快优势,可以大幅度降低在贵金属方面依赖性,控制燃料电池生产成本。但是当前AEMFC电池在耐久性以及放电性等参数方面尚未达到传统质子交换膜燃料电池水平,这一问题的出现主要在阴离子交换膜(AEM)方面,与传统燃料电池的质子交换膜相比,AEM的稳定性和导电率还需要进一步提高。当前我國在AEMFC方面的研究还处于初期阶段,为了加快AEMFC研究步伐,更好的满足实际使用需要,必须要对AEM的改进和优化有足够重视度,本文就此展开了研究分析。

  2 燃料电池用阴离子交换膜需要具备的特点

  第一,高离子传导率,正常室温下,电导率不能低于10-2S/cm,控制电池欧姆损失,使AEMFC具备更高的放电特性;第二,需要具备良好的化学稳定性和热稳定性,满足电池在高温、强碱性等环境下运行需要;第三,尺寸稳定性优异,避免在电池制备以及运行过程中因为温度等因素变化导致电池结构遭到破坏;第次,具备足够机械强度和韧性,能够满足大规模生产需要,生产成本处于可控范围。

  目前AEM还存在有稳定性差以及低电导率等方面缺陷和不足,很难满足AEMFC商业化生产需要。因此,开发有良好稳定性以及高电导率AEM已经成为当前电池行业研究的重点。当前市场上的膜材料有季铵盐类聚合物和多层聚合物等不同类型。其中季铵型AEM具备高电导率特点,主要是使用氯甲基化试剂对聚合物骨架处理,会后使用季铵化试剂对膜功能化处理,起到传导OH-目的,但是因为季铵基团在碱性环境下容易发生一系列反应降低稳定性和电导率,因此,必须要采取相应方式使膜稳定性差和电导率低等问题得到解决。

  3 提升AEM电导率

  AEM电导率直接关系到AEMFC能否市场化应用,当前市场上多数AEM电导率约0.1~50mS/cm,这一问题出现的有两个方面原因,一方面OH-在迁移率方面存在问题,另一方面为季铵基团解离度相对较低。为了使AEM电导率不足问题得到解决,需要对AEM展开调控和设计。

  3.1 相分离结构AEM

  质子交换膜主链具备有非常强憎水性,侧链有良好亲水性,在膜内部会形成一个微观上相分离结构,以此形成可供质子连续传输通道,膜离子电导率有明显提升。膜内离子的传导还会受到膜微观形态因素影响,膜内良好的微观相分离结构在膜离子电导率提升方面发挥重要价值和作用,当前普遍认为相分离结构是提升AEM电导率的一项重要措施。

  有研究在聚砜长链主链和官能团间添加长疏水链,以此形成一个能够满足OH-连续传输的通道,确保在较低离子交换容量情况下使AEM的电导率有明显提升。疏水链与官能团距离同样对AEM电导率产生相应影响,将疏水链嫁接在与官能团较远位置,可以更好的形成形相应传输通道,为OH-连续传导提供方便。通过这一设计方式获取的AEM具备非常好碱稳定性,电池功率密度可达600mW/cm?。

  3.2 掺杂类AEM

  在AEM制备方面,选择惰性聚合物中掺杂强碱电解质方式,AEM离子电导率同样会有明显提升。惰性聚合物中存在有较强电负性原子,能够在静电力以及氢键等作用下使聚合物骨架和强碱电解质之间相互作用得到提升,起到传导OH-目的。有研究通过制备层层复合多孔PBI,将其浸泡在强碱性电解质溶液,相比于传统PBI,膜电导率稳定性有明显提升。层层复合的多孔PBI结构在实际使用中碱液流失情况得到有效控制,达到提高膜稳定性目的。但是在具体使用过程中因为聚合物基体掺杂碱液,没有足够结合能力,随着碱液的流失,电导率会有明显下降。

  4 提升AEM稳定性

  AEM稳定性同样十分关键,AEM稳定性与聚合物骨架和离子官能团,践行环境下,聚合物骨架和离子官能团容易发生讲解反应,对膜完整性和均一性有较大影响。必须要从离子官能团和聚合物骨架方面出发展开研究分析,起到提升AEM稳定性目的。

  4.1 聚合物骨架稳定性

  在聚合物骨架选择方面,当前使用最广泛的为脂肪链烷烃,比如聚醚类等。主链中存在的不稳定化学键处于碱性环境下,脱除氟化氢,相邻原子形成碳碳双键,进一步发生降解反应。必须要选择有良好稳定性骨架使膜的稳定性得到提升。有专家研究聚芳醚类AEM稳定性,利用红外波普法等方式,检测季铵基团连接至主链后的稳定性变化情况。为了使含醚键聚合物稳定性得到提高,可采取延长主链与基团距离等方式,使主链降解得到控制和缓解。

  4.2 离子官能团稳定性

  膜传导OH-的能力受到AEM阴离子交换基团因素影响,必须要对此有足够重视度。碱性环境中,AEM化学稳定性很大程度上受到阴离子交换基团影响,OH-会对阴离子交换基团攻击,造成部分阴离子交换基团的脱落,降低AEM在OH-方面的交换能力,缩短AEM实际使用寿命。当前离子官能团使用最多的为季铵类,α-C以及β-H位的季铵类官能团容易因为OH-的攻击发生相应反应,导致AEM离子电导率出现明显下降。想要解决这方面问题,必须要对季铵基团结构进行优化,去除结构中所存在容易降解的化学键,也可选择有良好耐碱稳定性导电集团取代,使阴离子交换集团在碱性方面稳定性得到提升和改善。β-H的消除主要是利用季铵盐中与长链相连的烷烃来实现。有研究表明,采取消除季铵盐类β-H方式控制降解,但是无法实现对来自亲和取代方面进攻的有效抵御,也就是说,季铵类官能团降解问题礽无法得到解决。未来可提高在非季铵型离子官能团方面研究重视度,比如利用咪唑类、季膦基团等官能团中的共振结构实现对OH-攻击的减弱,延缓AEM降解,延长其实际使用寿命。当前咪唑类研究相对较为广泛,通过咪唑五元环共轭结构,能够使OH-攻击得到缓解,提高其耐碱性。将季膦基团嫁接至聚合物骨架,所制备的AEM有非常好耐碱稳定性,氮原子与中心原子之间形成共轭结构,OH-与胍盐相互作用有明显减弱,进而增强胍盐在碱性环境下的稳定性。

  4 结语

  AEM的发展主要是受到耐碱稳定性以及电导率因素影响,一方面要对AEM电导率的提升有足够重视,同时还需要对官能团和膜骨架稳定性展开深层次的研究分析,将理论计算分析与实验检测等方式相结合,确保所制备的AEM具有良好性能和足够长使用寿命,更好的满足阴离子交换膜燃料电池发展需要。

  【参考文献】

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  推荐阅读:《燃料与化工》Fuel & Chemical Processes(双月刊)曾用刊名:炼焦化学,1970年创刊,是科学技术刊物。



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