直接甲醇燃料电池用PWA%2fY2O3%2fSPEEK复合质子交换膜阻醇性能与研究.pdfVIP

2010年10月27同～29日 2010年全圆高分子材料科学与工程研讨会 中国·南吕 C．0．05 性能研究 童菊英1一，郭强卜，李丹1，董云风1，李夏1，李萌1 (1上海大学材料科学与工程学院，上海，201800； 2浙江J“播电视大学温岭分校，温岭，3】7500) 磺化聚醚醚酮(SPEEK)[N其成本低且具有较高的化学和热稳定性，在用于直接甲醇燃料电 池(DMFC)的质子交换膜方面『F成为研究热点。但SPEEK质子交换膜导质子性能和阻醇性能 受到磺化度(DS)相反的影响，单纯调节DS无法同时实现其既低透醇系数又高导质子性能。 磷钨酸(PWA)是一种强质子酸，具有良好的导电性能，凶此制备PWA和SPEEK复合膜能在保 持膜的阻醇性能同时显著改善导质子性能11’210但PWA容易随水流失，尤其在膜的表面更易 丁．流失，影响导质子性能提高。本课题采取中高DS的SPEEK，以少量PWA掺杂，同时再采 用能有效改善阻醇性能的稀土金属氧化物Y203掺刹141，充分发挥PWA改善导质子性能和 Y203提j奇阻醇性能的掺杂作用，探讨其5}i醇性能及其机理。 取+定量聚醚醚酮(PEEK)与浓硫酸反应，60。C下机械搅拌，反应4定时问后，冷却沉 采朋N’N。一．甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂，加入PWA和Y20：颗粒，用磁力搅拌器和超声分 分数为5wt．％、10wt．％、15wt．％。不同质量分数配比的质子交换膜试样编号如表1所示，其 中膜样品编号前两位数字指复合膜中PwA和Y203的摩尔比，后两位数字指PWA和Y203总 固体掺杂质量分数。 表1．PWAfY203_：元掺杂SPEEK复合膜的配方编号 膜的吸水率测定为(Mw—Md)／Md，其中Md和Mw分别为干膜和湿膜的质量，试验结果 见表2。 表2．Y203／PWA一．元掺杂SPEEK复合膜的吸水牵 从表2可见，随着=元掺杂鼍的质量分数增加，复合膜的吸水率明显减少。PWA具有良 ‘通讯作者，Emaih guoq@shu．edu．cn。 262 2010年10月27日~29日2010年全国高分子材料科学与工程研讨会一中国·南昌 好的吸水性，但复合膜的吸水率表明碱性物质Y203与磺酸基团及PWA发生相互作用，使得 亲水性基团数量下降，因此，尽管是1：1的二元掺杂，还是随着掺杂质量分数的提高复合膜 的吸水率下降，与文献【3】的Y203单一掺杂SPEEK所制备的复合膜的吸水率的测试结果一致。 膜的阻醇性能采用隔膜扩散池和气相色谱仪在室温下测定，由Fi文扩散第二定律计算甲 积，l为湿膜厚度，A为膜面积，C】o为醇液侧起始浓度，测试结果如表3。 表3．PWA／Y203二元掺杂SPEEK复合膜的透醇系数 由表3的透醇系数表明，随着二元掺杂质量分数的增加，透醇系数逐渐降低，即阻醇性 能进一步提高。PWA只提高导质子性能，透醇系数不但没有降低，反而略有上升【l’2】。而SPEEK 通过P、)v：A，Y203二元掺杂改性，可以实现高DS的复合膜在具有高导质予性能同时具有低的透 醇系数，其主要原因是Y203在复合膜中发挥作用，与文献【3】中Y203掺杂SPEEK所制备的复 合膜具有类似的阻醇效果。Y203可能与复合膜的磺酸基团产生配位作用，从而使高磺化度下 较多的磺酸基团减小对透醇的贡献，表现出对阻醇性能的改善。 经试验结果分析和讨论可得到如下结论：通过二元掺杂改性所制备的PWA／Y20ffSP敞 复合质子交换膜，在DS为65．2％、掺杂总质量分数为15wt．％时透醇系数低达4．353×10-7cm2／g, 使高DS下的质子交换膜具有较低的透醇系数，有望成为一种新型质子交换膜产业化的方法。’ 参考文献 [1丁一李磊，许莉；王宇新。磷钨酸／磺化聚醚醚酮质子导电复合膜．高等学校化学学报，2004年，第25卷：388 [2】薛松，尹鸽平。磺化聚醚醚酮，磷钨酸复合膜的导电和甲醇渗透性能．高分子学报，2006年，第9期：1083 TONG of membrane。 【31 Juying,GUOQi