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高温燃料电池用聚合物电解质膜和全固态超级电容器电解质的研究--王双
[2015/10/14 14:23:49][阅读2895次]

以聚合物电解质膜为核心部件的质子交换膜燃料电池(PEMFC),因其高效率、启动快、低排放和环境友好等优点被认为是新一代清洁高效的动力能源之一。不同于低温燃料电池,高温(120-200 oC)燃料电池具有显著的优势,例如:防止CO中毒、减少贵金属铂催化剂的用量、优化冷却水循环效率和提高电池反应效率等。因此,在燃料电池领域,开发能在高温下稳定工作的新型质子交换膜成为研究热点。目前,聚苯并咪唑(PBI)因其优异的机械性能和热、化学稳定性,而成为研究较为广泛的高温质子交换膜材料。Wainright等人早在1995年就将磷酸(PA)掺杂的PBI首次作为电解质材料来使用,该材料不仅具有较高的质子传导能力,而且其热稳定性非常优异。PA/PBI的质子传导率主要取决于其磷酸掺杂含量,然而磷酸掺杂含量和膜材料的机械强度是一对矛盾的参数,因此,在保证高温质子交换膜材料优异机械性能的前提下,如何提高质子传导率成为研究者致力于攻克的难点。

      本研究院的王双老师及其团队通过制备不同结构的磷酸掺杂交联型聚苯并咪唑,初步建立其结构与性能的关系。以交联为主线,引入柔性环氧交联剂(新戊二醇二缩水甘油醚),所得交联膜机械性能和质子传导率都得到一定程度的改善和提高;为进一步提高其磷酸掺杂含量,在交联的同时引入微孔结构,质子传导率得到了大幅提升,但代价是在一定程度上降低膜材料的机械强度;如何在保证膜材料为致密膜的前提下仍然能够获得更高的质子传导率,我们选取硅烷偶联剂KH560,利用其结构特点,既充当交联剂,又可以水解生成纳米二氧化硅,实现了兼顾高质子传导率和良好的机械性能的目标;进而,我们又尝试使用带有Br官能团的大分子交联剂,制备了一系列具有良好机械性能和质子传导率的交联膜。上述工作分别发表在International Journal of Hydrogen Energy,Journal of Membrane Science,Journal of Materials Chemistry AJournal of Power Sources。除此之外,在全固态超级电容器方面,设计合成了一系列离子液体凝胶型电解质,该电解质既保持了离子液体特有的属性,同时避免了电解质的渗漏,提高了器件的安全性。该部分工作被Journal of Materials Chemistry A直接接收,相关工作还发表在NanolettersNanotechnology上。

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图1 不同交联结构的聚苯并咪唑高温质子交换膜。


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图2 全固态超级电容器制备过程及器件示意图。






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