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摘要
摘要
高温质子交换膜(HT-PEMs)是高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)的重要
组件,它在体系中起到隔绝燃料和传输质子的作用。其中,聚苯并咪唑(PBI)材料
具有两性氮杂环结构,可同时作为质子的供体和受体,并且它具有优异的机械性能、
热稳定性和氧化稳定性。但是PBI本身的质子传导率通常较低,所以目前提高PBI的
质子传导率的方法是掺杂磷酸(PA),PA的存在可以通过质子跳跃机理来提高膜的质
子传导率,但是由于PA具有塑化作用,随着PA掺杂含量的增加,膜的机械性能大
幅度下降,并且在燃料电池的运行过程中,过量的PA会从高温质子交换膜中浸出,
这些问题将会影响膜的长期耐用性。因此,平衡PA掺杂型聚苯并咪唑的质子传导率
和机械性能等长期性能是研究人员面临的主要问题。
本文首先合成了醚键型聚苯并咪唑,然后向聚合物中引入具有较大自由体积的刚
性三嗪结构,合成了具有不同支化比例的支化型聚苯并咪唑,所获得的膜具有独特的
大体积三维树枝状结构,这些结构所带来的自由空腔有利于容纳吸收的磷酸,因此可
以在保持足够的机械强度的同时掺杂更多的PA。其中BOPBI-6%获得了最好的综合
性能,当PA掺杂水平(ADL)为9.55时,其在180℃取得了99.2mScm-1的质子传
导率,是线性醚键型聚苯并咪唑膜(54.8mScm-1)的1.8倍,同时其在长期氧化稳定
性测试中表现优异,在经过144小时的氧化稳定性测试后仍能具有90%的质量保留
率。
为了进一步提升膜的性能,功能化聚离子液体被继续引入了体系中,当复合膜在
+-
碱性溶液中浸泡后,形成的离子对(H-HPO)可作为质子供体和受体,为质子传
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递提供结合位点,这使得复合膜的性能进一步提升。其中BOPBI-PIL-30%膜具有足够
-1
的机械性能(5.50±0.8MPa),并且在180℃时的质子传导率(146.9mScm)表现也
十分优异。聚离子液体的引入会使膜的长期性能(如氧化稳定性)有一定程度的下降,
在经过144小时测试后,BOPBI-PIL-X膜具有60%以上的剩余重量。因此在接下来
的实验中,在大体积聚离子液体被引入的基础上,进一步向体系中引入部分KH560
交联剂,交联网络结构进一步抵御了氧化自由基的攻击。改性之后的膜在具备优异质
子传导率(180℃时的质子传导率为155.8mScm-1)、良好的机械性能(4.68±0.5MPa)
的同时,还具备优异的长期氧化稳定性,在经过长达144小时的测试后仍保持80%以
上的质量保留率。
关键词:质子交换膜支化结构高自由体积聚离子液体高质子传导率
I
Abstract
Abstract
Hightemperatureprotonexchangemembranes(HT-PEMs)areimportantcomponents
ofhightemperatureprotonexchangemembranefuelcells(HT-PEMFCs),whichplayroles
inprotontransportinisolatingfuelandprotontransportinthesystem,soinordertoimprove
theperformanceofHT-PEMFCs,ahostofresearchershavestudiedPEMs.Amongthem,
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