磺化聚醚砜醚酮酮与 其纳米复合质子交换膜的制备与性能

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1、第1章绪论其中以氢气为燃料的H2／02型PEMFC是研究和应用较多，距离大规模实用化推广最近的一类质子交换膜燃料电池。其一般的工作原理如图1．2所示：GasDiffusionMediawate‘9ProtonExchangeMembrane图1．2质子交换膜燃料电池的工作原理Fig．1．2WorkingprincipleofPEMFCH2／02型PEMFC工作时，在阳极一侧，经湿化处理后的氢气通过多孔电极扩散至催化层和PEM之间的反应区，在Pt催化剂的作用下被电化学氧化，分解出质子和电子。质子以水合形式在电场作用下通过PEM迁移到阴极；而电子只能通过外电路推动负载工作后到达阴极。在阴极

2、一侧，氧气在Pt催化剂作用下发生还原反应生成氧离子，与从阳极迁移过来的质子及电子结合生成水。其电极及电池反应如图1．3所示：Anode：H2——_2H++2e。Cathode：1／202-I-2H++2e。一心OCell：Ih+1／202——呻HO+Power图1．3质子交换膜燃料电池的电极反应Fig．1．3CellreactionofPEMFC人们一般把以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池称之为直接甲醇燃料电池(DMFC)。与氢气、乙醇、甲醛、甲酸等其他燃料相比，在储运，配送，来源，3第1章绪论电化学活性及对电池结构的要求等方面，甲醇具有许多无可比拟的优势，DMFC已经成为质子交换膜燃料

3、电池家族中的宠儿，备受人们的青睐。其工作原理如图1．4所示：crg图1．4直接甲醇燃料电池的工作原理Fig．1．4WorkingprincipleofDMFCDMFC工作时，在阳极一侧，甲醇水溶液通过多孔电极扩散至催化层和PEM之间的反应区，在Pt．Ru催化剂的作用下被电化学氧化，分解出质子、电子并生成二氧化碳。二氧化碳通过多孔电极返回到阳极流场中，质子则以水合形式在电场作用下通过PEM迁移到阴极，电子只能通过外电路推动负载工作后到达阴极。在阴极一侧，氧气在Pt催化剂作用下发生还原反应生成氧离子，氧离子与从阳极迁移过来的质子及电子结合生成水。其电极及电池反应如图1．5所示：Anode：

4、CH30H+H20————≯C02+6H++6e-Cathode：3／202+6H++6e’—．+3H20Cell：CHlOH+H0+3／2O，_C0，+3H20+Power图1．5直接甲醇燃料电池的电极反应Fig．1．5CellreactionofDMFC质子交换膜燃料电池作为一种将储存于燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应转化为电能的发电装置，参与反应的燃料和氧气，分别由电池外部的单独供料系统提供，因而只要能保证燃料和氧气的持续供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能，当然产生电能的多少还要取决于整个电池的寿命。从这个4第1章绪论意义上来说，质子交换膜燃料电池是一个连续发电装置，这也

5、正是其与普通电池最大的区别和优势所在。因此，只要设法在提高电池寿命和催化剂效率的同时降低其制造及使用成本，拥有诸多优点的质子交换膜燃料电池必将成为未来能源的生力军。1．3质子交换膜质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是质子交换膜燃料电池的核心组件之一。其性能直接决定着燃料电池的性能。PEM在电池中既是固态电解质又是分隔物，作为阴阳两极的隔膜，允许质子传导而阻止电子通过，同时阻止气、液燃料(氢气、甲醇等)及氧化剂(空气、氧气等)贯穿电池。综合质子交换膜燃料电池的基本原理和质子交换膜在燃料电池中的作用，合格的质子交换膜必须具有以下性质【1．2】：(1)有较高的

6、离子交换能力和高的质子传导率，保证在高的电流密度下，膜的电阻小从而提高电池的效率。(2)气体渗透性低，以起到阻隔燃料和氧化剂的作用，在DMFC中还要求甲醇透过率低。(3)具有一定的机械强度和结构强度，如较高的抗拉强度和良好的粘弹性，尺寸稳定性，能承受膜两侧的压差，并保证与催化剂有较好的结合。(4)较好的化学和电化学稳定性，如耐酸碱腐蚀性、耐氧化性、还原性和水解性以保证电池寿命。(5)热稳定性好，能承受在电池加工和运行中不均匀的热量冲击。(6)水合／脱水可逆性好，电池在加工过程中易失去水分而在电池运行过程中为获得最大的质子传导率，质子交换膜要在全湿的状态下工作，因此要求膜的水合／脱水可逆

7、性好。(7)适当的性能价格比和长的使用寿命。目前，国内外研究较多的质子交换膜有：以Nation@为代表的全氟磺酸膜和磺化芳香型聚合物膜，后者一般包括：磺化聚芳醚酮(SPAEK)、磺化聚芳醚(SPAES)、磺化聚苯并咪唑(SPBI)、磺化聚酰亚胺(SPI)等。其中，磺化聚芳醚酮膜具有优异的机械性能、热稳定性能以及较高的质子传导率，是现在研究较多较热的一类质子交换膜材料。此外，为改善或改进单一组分SPAEK膜的5第1章绪论性能，采用无机物(如无机酸