直接甲醇燃料电池用阻醇质子导电聚乙烯醇_聚苯乙烯磺酸共混膜

直接甲醇燃料电池用阻醇质子导电聚乙烯醇-聚苯乙烯磺酸共混膜Ξ吴洪ΞΞ,王宇新,王世昌(天津大学化工学院,天津300072)摘要:制备了聚乙烯醇(PVA)与聚苯乙烯磺酸(PSSA)的共混膜,并研究了膜的组成、热处理温度、甲醇水溶液浓度等对膜电导率和甲醇透过率的影响。与目前普遍使用的NafionTM膜相比,这种由阻醇材料PVA与离子交换材料PSSA共混后形成的聚合物膜既能提高阻醇性能,又具有一定的电导率。一种以聚苯乙烯磺酸含量为17%的膜,其电导率可达3×10-3S·cm-1,但甲醇透过率P仅为2×10-8cm2·s-1。如果以σ/P为综合指标,则此膜的综合性能比NafionTM膜高约40倍。关键词:燃料电池;直接甲醇燃料电池;聚合物电解质膜;电导率;甲醇透过率中图分类号:TQ325文献标识码:A文章编号:1008-9357(2002)01-0006-05直接甲醇燃料电池(DMFC)是解决燃料电池氢储运困难的途径之一,因为甲醇储运效率高且比氢更廉价。用于DMFC的聚合物电解质膜不但应有良好的质子导电性,还应能够阻止甲醇通过膜。但是现在较易得到的商品化质子导电聚合物膜几乎只有DuPont公司的NafionTM膜。这种膜有良好的质子导电性和环境耐受性,但其阻醇性相当差。甲醇从阳极向阴极的迁移不但使燃料损失,还影响阴极的工作,使电池的整体性能变差〔1〕。有不少人致力于解决DMFC的透醇问题,包括对NafionTM膜的改进,如有人提出采用夹有钯箔的NafionTM膜〔2〕或较低磺酸基团浓度的NafionTM膜〔3〕等;新型质子导电膜的开发,如磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PBI)膜等〔4〕;亦有通过改进膜电极工艺来减少甲醇的透过。我们试图寻找新的阻醇效果好的质子导电聚合物膜。考察膜中质子、水和甲醇传递之间的关系,可以看到所需要的聚合物电解质膜类似于醇水溶液分离的渗透蒸发膜〔5,6〕。聚合物电解质膜应是在质子-水-甲醇混合物体系中优先透过质子的。参照渗透蒸发膜的理论,膜中各组分的相互作用应导致分离所必须的亲水-疏水平衡〔7〕。我们试图通过将含有亲水基团侧链的聚合物与有疏水骨架的聚合物按不同比例共混以实现所需的平衡。研究工作采用共混方法,将阻醇材料—聚乙烯醇(PVA)与离子交换材料(质子导电材料)—聚苯乙烯磺酸(PSSA)共混后制膜。在乙醇-水混合物的渗透蒸发分离中,PVA表现出良好的阻醇性能,这意味着PVA本身可能具有与我们的要求相近的亲、憎水比例。PSSA的加入将提供质子导电所需的离子交换基团并同时改变膜内的亲、憎水比例,从而有望达到理想的阻醇和质子导电的目的。1实验部分1.1聚乙烯醇—聚苯乙烯磺酸共混膜(PVA2PSSA)的制备聚苯乙烯磺酸(PSSA)通过聚苯乙烯与硫酸反应制得〔8〕。PVA(聚合度为1750±50)和PSSA在加热搅拌下溶于二甲基亚砜(DMSO)制成重量百分数为10%的溶液。将溶液在玻璃板上流延成膜,并在60℃和氮气氛下使溶剂蒸发,然后依次于110℃、130℃、150℃下热处理1h,再放入去离子水中浸泡,最后将膜从玻璃板上揭下,保存在去离子水中备用。Vol.152002年3月功能高分子学报JournalofFunctionalPolymersNo.1Mar.2002ΞΞΞ作者简介:吴洪(1971-),女,天津市人,博士,研究方向:膜分离。E-mail:wuhong2000@263.net收稿日期:2001-09-24基金项目:国家“973”重大基础研究项目(G20000264);国家自然科学基金资助项目(29976033)1.2PVA2PSSA共混膜的阻醇性能膜的阻醇性能用甲醇透过系数P(cm2·s-1)来表征。甲醇透过率用隔膜扩散池测得。膜池由两个对称的玻璃半室构成,膜夹在两半室间。开始时,一侧室中加入一定浓度的甲醇-水溶液,另一侧室中加入纯水。用WINOPALLCD201微分折光仪在线测量纯水侧室中甲醇浓度随时间的变化,由计算机采集并图示数据,并由此数据计算出膜的甲醇透过系数〔8〕。1.3PVA2PSSA共混膜的导电性能膜的导电性能用电导率σ(S·cm-1)来表示。采用两电极法测量,即将待测膜夹于上、下两不锈钢电极间,用交流低阻表(YY2510,天津无线电六厂)测量其电阻并转换为电导率〔8〕。1.4PVA2PSSA共混膜的表征利用扫描电镜(PHILIPSXL30ESEM)照片对膜形态结构进行观测分析。2结果与讨论2.1PVA2PSSA共混膜的形态结构图1是PVA2PSSA共混膜的扫描电镜照片。共混膜表面光滑平整,膜结构致密均一。Fig.1SEMviewsofaPVA2PSSAmembraneFig.2MeOHpermeabilityofPVA2PSSAmembranes(110℃cured)2.2PVA2PSSA共混膜的阻