交联型阴离子交换膜的制备与性能研究(3)
图1 直接甲醇燃料电池工作原理图
采用碱性阴离子交换膜后，电池的性能能够得到提高：
(1)甲醇在碱性条件下比在酸性条件下氧化速度加快[2-3],所以可以避免使用铂、钌等贵重金属，同时可以选用一些催化活性较低的电催化剂，如银，镍等，从而大大降低了燃料电池系统制造的成本；
(2)使用如银、镍等金属作电催化剂可以避免使用铂作电催化剂引起的催化剂中毒的问题，从而提高电池电催化剂的催化效率和整个电池的性能[4]；
(3)由于碱性甲醇燃料电池工作过程中是从阴极向阳极传递OH-离子，刚好与甲醇渗透的方向相反，增加了甲醇的传输阻力，降低了甲醇的渗透量。减少了甲醇渗透造成的电位损失[5-6]；
(4)由于膜中离子迁移引起的水迁移指向阳极，有利于燃料电池的水平衡，可避免DMFC因为阴极遭水淹而造成的电池性能下降[7]。
1.3 阴离子交换膜
1.3.1 阴离子交换膜需满足的要求
作为直接甲醇燃料电池关键部件的膜组件的核心，对阴离子交换膜的具体要求如下[8]：
(l)有较高的离子活性和优良的离子传导性，保证在高的电流密度下，膜的欧姆电阻降低以提高电池效率。
(2)有较高的抗拉强度和良好的粘弹性，能承受膜两侧的压差，并与催化剂有较好的结合能力，以保证制成有效的膜电极。
(3)有较高的水合能力。水分子在垂直于膜面的方向电渗作用小而在平行于膜面的方向上扩散作用强，以避免局部缺水，提高膜的抗干涸能力。膜的干湿转换性能要好，电池在加工过程中会使膜失去水分，而在电池的运行过程中为了获得最大的离子传导率，碱性阴离子交换膜要在全湿状态下工作，因此要求膜的尺寸稳定，具有很好的干湿转换性能。
(4)膜材料分子量充分大，材料的互聚和交联程度高，以降低高聚物水解作用，能有效地阻止聚合物在电池工作条件下降解；同时需要有足够的热稳定性和较长的使用寿命。
(5)对燃料和氧化剂有良好的隔离作用，即燃料和氧化剂在膜中的渗透性尽可能小，以避免二者在电极表面直接发生反应，造成局部过热现象，并严重影响电池的电效率和使用寿命。
(6)低甲醇透过系数，甲醇向阴极板的渗透不仅造成原料的损失，而且在氧阴极上产生混合电位，使电池性能降低。
为开发出经济性、实用性都好的阴离子交换膜燃料电池，研究人员通过各种方法制备阴离子交换膜，并且优化其性能。
1.3.2 阴离子交换膜研究进展
近年来研究人员已经做了许多良好的探索，开发了许多新型的碳氢系阴离子交换膜；如：聚苯醚类（PPO）[9]、聚醚砜类（PES）[10]、聚酰亚胺类（PEI）[11]、聚醚砜酮（PPEESK）[12]和聚醚醚酮类（PEEK）等[13]，这些新型的阴离子交换膜都表现出良好的性能。其中聚醚砜类材料以其良好的力学性能、热稳定性和化学稳定性而受到大量的关注。
1.3.3 聚砜类阴离子交换膜
聚砜( PSF)是一类在分子主链上含有砜基的芳香族热塑性聚合物材料， 具有优良的力学性能热稳定性 化学稳定性及良好的加工性能[14-15]，其结构如图2。
图2 聚砜的结构
Zhang[16]和Watanabe[17]分别以聚醚砜为基体制备了阴离子交换膜，膜具有高的电导率和良好的综合性能，如膜的电导率分别为45mS/cm（20℃，离子交换容量IEC=1.89）和145mS/cm（80℃，IEC=2.05）。
杜瑞奎等[18]以1,4-二氯甲氧基丁烷为氯甲基化试剂与聚砜反应制得氯甲基化聚砜，考察各因素对聚砜氯甲基化以及季铵化反应的影响，发现使用1,4-二氯甲氧基丁烷、四氯化锡，以氯仿为溶剂可以使聚砜的氯甲基化反应顺利进行，使用的叔胺碳原子越少，制得的阴离子交换膜的IEC越高，吸水率越大，在使用同一种叔胺时，季铵化反应时间越长，也会使阴离子交换膜具有较高的IEC，吸水率以及电导率。
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