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直接甲醇燃料(DMFC)由于其便携性、能量密度高、燃料储运及补充方便等特点被认为是适合未来环境和能源要求的新型能源之一。质子交换膜是直接甲醇燃料电池的核心组件,在燃料电池中承担着传导质子、阻隔燃料等关键作用。然而在其开发过程中一些关键问题如甲醇渗透、催化剂中毒,质子传导低等问题始终是阻碍其顺利商业化的瓶颈。阻止和减缓燃料甲醇在质子交换膜的渗透和提高膜的质子传导性能是当前较富有意义的研究课题之一。
本论文以提高质子交换膜的阻醇性能和质子传导性能为目标,利用等离子体技术,研究和探索了多种新型的质子交换膜的制备方法,获得了如下创新性成果:
(1)首先搭建了阻醇型质子交换膜的性能表征平台,主要包括甲醇渗透率的测定方法、质子电导率的测定方法和单电池电性能测试平台等,为研制阻醇型质子交换膜提供了研究手段。
(2)以苯乙烯和三氟甲基磺酸为单体,采用等离子体聚合法,利用远距辉光电感耦合等离子体发生装置,制备了等离子体聚合质子交换膜。红外和XPS测试显示,苯乙烯提供了良好的骨架结构,三氟甲基磺酸中的磺酸基团为聚合膜提供了质子交换功能团。考察了等离子体聚合时间和单体分压比对聚合膜结构和功能性基团含量以及聚合膜厚度的影响,研究等离子体聚合膜的形成机理;考察了不同厚度的等离子体聚合膜对甲醇渗透系数的影响,研究甲醇的电氧化机理。所合成的质子交换膜的甲醇渗透系数从10-10～10-11 m2·s-1,低于商业Nation117膜,质子电导率为100～200 ms·cm-1,与商业Nationl7膜相当,把制备膜组装成小型直接甲醇燃料电池,单电池的电流效率达到60mA·cm-2。
(3)以全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-辛烯)磺酰氟(PSVE)、苯乙烯、4-乙烯基吡啶(4-VP)为等离子体聚合反应单体,采用等离子体聚合法,制备了等离子体聚合质子交换膜。红外和XPS测试显示,4-VP中的吡啶基团和苯乙烯中的苯环构成了聚合膜的骨架结构,PSVE中的磺酸基团为聚合膜提供了质子交换功能团。
(4)以聚四氟乙烯(PTFE)粉体为基材,利用等离子体进行表面改性,引发接枝苯乙烯单体并磺化,制备质子交换膜,红外和XPS测试显示,苯乙烯单体通过化学键接枝到了PTFE基材的表面,磺化有利于提高材料的质子传导性能。通过流延法把改性PTFE粉末制备成质子交换膜,考察了其阻醇性能及电化学性能,为制备新型的燃料电池用质子交换膜提供了新的思路。