侧链型阳离子交换膜的制备与性能研究(3)
聚合物电解质膜燃料电池的反应原理以阳离子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，它主要由一张膜和两个电极组成，膜理想地分离阴极和阳极，氢气在阳极失去电子发生氧化反应，质子交换膜作为分离离子的有效屏障，只允许H+通过，氧气与通过导线转移的电子在阴极发生还原反应，并与通过质子交换膜的H+结合生成水，各极上的反应式如下：
阳极：2H2-4e-=4H+
阴极：O2+4e-+4H+=2H2O
图1.1 燃料电池原理
因此，根据质子交换膜的原理，我们不难看出，质子交换膜需要满足以下诸多要求以文持电池的正常运行[4]：首先要具有较低的燃料渗透率只能让质子通过，燃料包括氢气、氧气、甲醇等。如果燃料渗透严重，会导致阳极和阴极产生局部反应，降低整个电池的电压，影响其效率和运行；毋庸置疑，要具有较高的质子电导率，电导是电池产电的重要指标，电导率大，说明电阻小，电池的内耗才会少，才能保证好的输出；干湿转换性能一定要好，电池是在营养液的工作条件下运行的，湿度是会变化的，如果质子交换膜不能很好的适应不同湿度的运行条件，将会大大降低电池的产电性能；质子交换膜还要具有一定的机械强度，如果机械强度不高，在营养液的浸泡下，将会大量吸水，而引起膜的溶胀甚至破裂，所以质子交换膜膜必须要有一个很好的拉伸强度；尺寸稳定性要高，同前面描述的，质子交换膜是在溶液的浸泡下运行的，如果尺寸变化稳定性不够，容易造成膜脱离电极或者自身破裂而导致无法正常运行；化学稳定性和热稳定性要好，这是为了避免质子交换膜在温度高的条件下，被氧化或者降解了；最重要的，要合成的操作工艺尽量简单，并且制造成本尽量低廉，来完善市面上质子交换膜的操作困难、造价高的缺点。
目前市面上应用最广的是全氟磺酸离子聚合物膜，全氟聚合物膜因为其优异的化学和物理稳定性，高湿低温下也有高质子电导率而被广泛应用，例如Nafion和Flemion系列。但全氟磺酸离子聚合物制备膜时工艺复杂、成本相对比较高（600-800美元/㎡）、并且只能在较低的温度（一般都小于110 ℃）下运行，固因此使得它的使用层面被限制了，研发出新型、便宜并且能够在较高温度下运行的膜来替代PFSI成为了现代科研的研究方向。
很多碳氢系聚合物在高离子交换容量下显示足够高导电性，导致在临界温度下大量水吸收，或者由于尺寸膨胀而机械性能戏剧性的损失使他们不适合实际PEM的应用。芳香烃离子交联聚合物的尺寸稳定性和质子导电性在聚合物结构设计提高上是至关重要的。一个通往提高芳香烃PEM性能的有前途的方法是，通过从个别聚合物主链的侧链端部定位磺酸基以在亲水磺酸包含区域和疏水聚合物主链之间引起明确的相分离。热稳定性和机械性能较好的当属碳氢系聚合物膜材料，同时操作不困难，分子设计可多样、原料来源广泛、制备工艺也很成熟，引入磺酸基团后得到的阳离子交换膜作为Nafion的替代材料具有很好的应用前景。
众多的碳氢系聚合物膜材料中，主链上带有酰亚胺环的聚合物是聚酰亚胺，该种材料的特点是热性能优良、成膜性好，磺化聚酰亚胺质子交换膜（SPI）是主链与磺酸基团发生磺化反应来引入侧链后得到的，它的电导率较高，是一类较好的阳离子交换膜材料。如高春晖[5]等研制出了磺化聚酰亚胺/二氧化硅(SPI/SiO2)复合膜材料，由于该种复合材料中引入了不同含量的硅元素，复合膜的各项性能相应的变化规律，例如机械性能、尺寸稳定性、耐热性能和耐水解稳定性,包括磺化的聚酰亚胺-二氧化硅(SPI-SiO2)复合膜的质子传递效率和甲醇渗漏量的测定和评价都是他们此项研究的重要内容。研究结果表明, 复合膜阻止甲醇透过的性能和对离子的选择透过的性能都较高,并且SPI/SiO2-2复合膜即使在高温下也比商业的Nafion 115膜有更高的质子传导特性。
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