侯磺化聚醚醚酮在直接甲醇燃料電池中的研究進(jìn)展

1、磺化聚醚醚酮磺化聚醚醚酮(SPEEK)在直接甲在直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展醇燃料電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 前言前言 物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì) 改性研究改性研究 展望展望 致謝致謝一、前言一、前言 目前應(yīng)用于直接甲醇燃料電池最成功的電目前應(yīng)用于直接甲醇燃料電池最成功的電解質(zhì)膜為氫型解質(zhì)膜為氫型Nafion系列膜，但仍存在嚴(yán)重系列膜，但仍存在嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)：的技術(shù)挑戰(zhàn)： 燃料滲透嚴(yán)重；燃料滲透嚴(yán)重； 成本居高不下：成本居高不下：700-800美元美元/米米2； 含有氟元素，廢棄降解后污染環(huán)境；含有氟元素，廢棄降解后污染環(huán)境；Dennis E. Curtin, etc., Jou

2、rnal of Power Sources, 2004, 131, 41 高溫脫水，質(zhì)子傳導(dǎo)率下降。高溫脫水，質(zhì)子傳導(dǎo)率下降。 生產(chǎn)過程被杜邦公司壟斷，產(chǎn)業(yè)風(fēng)險大。生產(chǎn)過程被杜邦公司壟斷，產(chǎn)業(yè)風(fēng)險大。 Nafion復(fù)合膜復(fù)合膜磺化聚醚砜磺化聚醚砜導(dǎo)質(zhì)子能力導(dǎo)質(zhì)子能力 阻醇能力阻醇能力自增濕能力自增濕能力機械強度機械強度BAM3G膜膜輻射接枝膜輻射接枝膜磺化聚醚砜磺化聚醚砜磷、硫酸磷、硫酸/PBI非氟非氟部分氟化部分氟化全氟全氟替代材料替代材料 文獻(xiàn)中的解決方案文獻(xiàn)中的解決方案 Flemion膜膜DOW膜膜Aciplex膜膜對杜邦公司的依賴對杜邦公司的依賴性仍沒有徹底解決，性仍沒有徹底解決，降解

3、后可引起環(huán)境降解后可引起環(huán)境污染污染。成本低，甲醇滲成本低，甲醇滲透系數(shù)小，合成透系數(shù)小，合成工藝簡單，工藝簡單， 環(huán)境環(huán)境友好等優(yōu)點友好等優(yōu)點F. G. Wilhelm et al, J. Membr. Sci. 199(2002) 167-176.磺化聚醚磺化聚醚醚醚酮酮 二、物理化學(xué)性質(zhì)二、物理化學(xué)性質(zhì) 1. 制備方法制備方法 （1）聚醚醚酮的磺化（先聚合后磺化）聚醚醚酮的磺化（先聚合后磺化）OOC=()yH2SO4 + OOOC=( O)ySO3-H+OOC=()yH2SO4 + OOOC=( O)ySO3-H+H+Nunes S. P. et al, J. Membr. Sci. 2

4、03(2002) 203-215. （2）磺化單體的聚合）磺化單體的聚合(先磺化后聚合先磺化后聚合)可以有效地控可以有效地控制制 磺化度?；腔?。劉晨光，那輝等，劉晨光，那輝等，25（12）(2004) 2359-2362.2. 磺化度的測定磺化度的測定HClHClNaOHNaOH-VcVcmEW1001 .807 .288%DSEW方法：酸堿滴定法方法：酸堿滴定法Yang B et al. Electrochemical and Solid-State Letters, 2003,6(11): A229-A231（1）（2）3. 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)-簇網(wǎng)結(jié)構(gòu)簇網(wǎng)結(jié)構(gòu)W. H. J. Hogar

5、th et al J. Power Source 142(2005)223-237.SPEEK4.SPEEK 傳導(dǎo)質(zhì)子的機理傳導(dǎo)質(zhì)子的機理Keruer K. D. et al, J. Membr. Sci. 185(1) (2001)29-39.5.磺化度對熱穩(wěn)定性的影響磺化度對熱穩(wěn)定性的影響P. Xing et al, J. Membr. Sci. 229 (2004) 95106.6. 磺化度、溫度對磺化度、溫度對SPEEK甲醇滲透系數(shù)和質(zhì)子傳甲醇滲透系數(shù)和質(zhì)子傳 導(dǎo)率的影響導(dǎo)率的影響Lei Li et al, J. Membr. Sci. 226(1-2)(2003) 159-167.

6、Nafion115SPEEK(46.71%)SPEEK(38.57%)SPEEK(38.57%)7.DMFC單池性能測試單池性能測試01002003004005006000.00.10.20.30.40.50.60.70.8Cell Voltage (V)Current Density (mA.cm-2)1mol.L-1CH3OH, pO2=0.2MPa SPEEK, 0.160mm,800C SPEEK, 0.100mm,800C Nafion115,700C Nafion115,800C任素珍等，電化學(xué)，任素珍等，電化學(xué)，10(3)(2004).三、磺化聚醚醚酮的改性研究三、磺化聚醚醚酮的

7、改性研究1. 光輻射交聯(lián)光輻射交聯(lián)Shuangling Zhong et al, J. Power Sources 164(2007)65-72.SPEEK(46%) 在不同輻射時間后的熱重曲線在不同輻射時間后的熱重曲線 。Shuangling Zhong et al, J. Power Sources 164(2007)65-72.光輻射時間對質(zhì)子傳導(dǎo)率及機械強度的影響。光輻射時間對質(zhì)子傳導(dǎo)率及機械強度的影響。光輻射時間對甲醇擴散系數(shù)的影響光輻射時間對甲醇擴散系數(shù)的影響2. 酸堿共混交聯(lián)酸堿共混交聯(lián) V.S. Silvar et al, J. Membr. Sci. 284(2006)137

8、-144. Han-Lang Wu et al European polymer Journal 42(2006)16881695. K. Nafarale et al, J. Membr. Sci. 280(2006)389.酸堿交聯(lián)示意圖酸堿交聯(lián)示意圖不同比例酸堿共混膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率與甲醇滲透系數(shù)不同比例酸堿共混膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率與甲醇滲透系數(shù)SPEEK與聚乙烯基吡咯酮酸堿共混膜的單池與聚乙烯基吡咯酮酸堿共混膜的單池性能測試。性能測試。 T: 40oC.Han Lan Wu et al, J. Polymer Science. Part B Polymer physics 44(2006)565

9、-572.3.無機材料的摻雜改性無機材料的摻雜改性S.M.J. Zaidi et al, J. Membr.Sci. 279(2006)548-557.Palanichamy Krishnan et al, J. Membr.Sci. 278(2006)220-229.cross-section SEM of 30%BPO4/SPEEK摻雜量對質(zhì)子傳導(dǎo)率的影響摻雜量對質(zhì)子傳導(dǎo)率的影響 無機材料通常為磷酸鋯、磷酸硼、雜多酸等無無機材料通常為磷酸鋯、磷酸硼、雜多酸等無機質(zhì)子導(dǎo)體機質(zhì)子導(dǎo)體4. 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合膜夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合膜夾層結(jié)構(gòu)示意圖夾層結(jié)構(gòu)示意圖功率與電流密度的關(guān)系曲線功率與電流密度的關(guān)系曲線四

10、、展望四、展望 綜上所述，綜上所述， SPEEK及其改性復(fù)合膜，及其改性復(fù)合膜，以其簡單的制備工藝、低廉的成本優(yōu)勢在以其簡單的制備工藝、低廉的成本優(yōu)勢在直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC) 中表現(xiàn)了良好中表現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，盡管目前仍存在一些挑戰(zhàn)，的應(yīng)用前景，盡管目前仍存在一些挑戰(zhàn)，相信隨著研究的進(jìn)一步深入，必將取得令相信隨著研究的進(jìn)一步深入，必將取得令人滿意的研究結(jié)果。人滿意的研究結(jié)果。Easton E. B. et al, J. Electrochem. Society 152(4)(2005)A752-A758.Yu Jingrong et al, Physical Chemi

11、cal Chemical Physics, 5(3)(2003)611-615. 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1. Dennis E. Curtin, etc., Journal of Power Sources, 131 (2004) 41.2. Shuangling Zhong et al, J. Power Sources 164(2007)65-72. 3. Nunes S. P. et al, J. Membr. Sci. 203(2002) 203-215.4. 劉晨光，那輝等劉晨光，那輝等，25(12)(2004) 2359-2362.5. W. H. J. Hogarth et al

12、J. Power Source 142(2005)223-237.6. Han-Lang Wu et al European polymer Journal 42(2006)16881695. 7. Lei Li et al, J. Membr. Sci. 226(1-2)(2003) 159-167.8. 任素珍等，電化學(xué)，任素珍等，電化學(xué)，10(3)(2004).9. Yang B et al. Electrochemical and Solid-State Letters, 2003,6(11):A229-A23110. F. G. Wilhelm et al, J. Membr. Sc

13、i. 199(2002) 167-176.11. V.S. Silvar et al, J. Membr. Sci. 284(2006)137-144.12. Keruer K. D. et al, J. Membr. Sci. 185(1) (2001)29-39.13. Han-Lang Wu et al J. Membr. Sci. 280(2006)501-508.14. Han Lan Wu et al, J. Polymer Science. Part B Polymer physics 44(2006)565-572.15. S.M.J. Zaidi et al, J. Membr.Sci. 279(2006)548-557.16. Palanichamy Krishnan et al, J. Membr.Sci. 278(2006)220-229.17. Easton E. B. et al, J. Electrochem. Soc