高學(xué)強(qiáng)，俞紅梅，賈 佳，劉艷喜，邵志剛

（1.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連116023；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

用于堿性膜燃料電池的SEBS基陰離子交換樹(shù)脂

高學(xué)強(qiáng)1,2，俞紅梅1*，賈 佳1,2，劉艷喜1，邵志剛1

（1.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連116023；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

堿性陰離子交換樹(shù)脂作為堿性膜燃料電池膜電極催化層中的離子導(dǎo)體和粘結(jié)劑，對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定的立體化電極催化層結(jié)構(gòu)以及堿性膜燃料電池的性能和穩(wěn)定性具有重要影響。以聚 (苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)三嵌段聚合物（SEBS）為基材，經(jīng)過(guò)氯甲基化、三乙胺季胺化、堿化，制備了不溶于水，但能夠溶于低沸點(diǎn)溶劑（正丙醇和四氫呋喃混合溶劑）的陰離子交換樹(shù)脂（AEI）。通過(guò)流延法將AEI成膜，并且測(cè)試了膜的吸水率、溶脹率、離子交換容量和氫氧根離子電導(dǎo)率，結(jié)果表明：膜的溶脹率為20%，離子交換容量為0.21 mmol/g，在80℃時(shí)離子電導(dǎo)率達(dá)到16.2 mS/cm。用這種AEI制備電極組裝電池，在H2/O2堿性膜燃料電池的測(cè)試中表現(xiàn)出良好的性能和穩(wěn)定性，電池的開(kāi)路電壓達(dá)到1.04 V，峰值功率密度達(dá)到153 mW/cm2;在100 mA/cm2電流密度條件下的穩(wěn)定性測(cè)試中，初始電池電壓在0.7 V以上，電池運(yùn)行30 h后，電池電壓未發(fā)生明顯降低。

陰離子交換樹(shù)脂;嵌段聚合物;膜電極;堿性膜燃料電池

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求日益增加，化石能源由于其不可再生性而逐漸減少，各種新型替代能源正越來(lái)越受到人們的關(guān)注。風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿日找娉蔀橹匾难a(bǔ)充能源和替代能源。燃料電池兼具發(fā)電效率高，幾乎無(wú)污染氣體排放，碳排放比普通發(fā)電低等優(yōu)點(diǎn)[1]，目前在全世界范圍內(nèi)引起了研究與商業(yè)化應(yīng)用的熱潮。

堿性膜燃料電池（anion exchange membrane fuel cell，AEMFC）是一種以堿性陰離子交換膜為電解質(zhì)隔膜的新型燃料電池技術(shù)。它克服傳統(tǒng)液體堿性燃料電池電解質(zhì)泄漏以及電解質(zhì)溶液碳酸鹽化等問(wèn)題；同目前正逐步推向商業(yè)化的質(zhì)子交換膜燃料電池相比，它繼承了傳統(tǒng)堿性燃料電池電極動(dòng)力學(xué)快的優(yōu)點(diǎn)，可以減少甚至消除對(duì)鉑基催化劑的依賴，進(jìn)而降低燃料電池成本，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)吸引了許多研究者的目光[2-3]。目前AEMFC的性能和穩(wěn)定性相較質(zhì)子交換膜燃料電池電池還有一定差距，AEMFC相關(guān)的材料研究方興未艾[2-5]。

膜電極作為燃料電池的核心部件，因此和AEMFC膜電極相關(guān)的堿性膜、催化劑材料一直是各國(guó)專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)，而作為膜電極催化層中的重要組成部分——堿性陰離子交換樹(shù)脂(anion exchange ionomer，AEI)的相關(guān)研究較少。AEI作為催化層中的粘結(jié)劑以及離子導(dǎo)體，主要起到傳導(dǎo)氫氧根離子，粘結(jié)催化劑構(gòu)建穩(wěn)定的氣液固三相反應(yīng)界面[5]。此外，AEI可將催化層粘結(jié)到堿性膜（或擴(kuò)散層）上進(jìn)而降低界面接觸電阻。對(duì)AEI的要求與對(duì)AEM的要求基本相同，但受使用方法等影響，對(duì)AEI的要求還需要考慮另外兩個(gè)方面的需求[5-6]：(1)能溶于低沸點(diǎn)溶劑，以保證電極制備及存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程的安全性和便利性，因?yàn)楦叻悬c(diǎn)溶劑不易揮發(fā)，對(duì)電極制備和后續(xù)處理均帶來(lái)困難；(2)從催化層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面要求AEI成膜干燥后與AEM及催化層具有良好的相容性，以保證催化層內(nèi)三相界面的穩(wěn)定。

2006年，英國(guó)薩里大學(xué)的Varcoe等[7]首次報(bào)道了以N,N,N',N'-四甲基1，6己二胺(TMHDA)交聯(lián)的聚乙烯芐基氯（PVBC）作為AEI，實(shí)現(xiàn)了電極的立體化，將不含金屬陽(yáng)離子的全固態(tài)AEMFC從概念變成了可能，其電池最高功率密度在50 mW/cm2之上。但是，這種AEI是通過(guò)后處理得到，制備過(guò)程較為繁瑣。隨后，美國(guó)Yan等[6]制備了季膦型的陰離子導(dǎo)電聚合物并將其溶解在低沸點(diǎn)溶劑中制備了AEI，其在單電池測(cè)試中表現(xiàn)出良好的性能。Matsumoto等[8]制備了PBI包覆的鉑/碳納米管復(fù)合催化劑和KOH摻雜的PBI，分別作為催化層中電子和氫氧根離子的傳輸通道，形成了有效的三相界面，以該材料制備的電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電池性能。然而，由于使用KOH作為離子傳導(dǎo)介質(zhì)，因此可能存在KOH逐漸流失以及碳酸化的問(wèn)題，對(duì)電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性是不利的。

在AEI的研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)AEI性能有著重要影響。英國(guó)的Zeng等發(fā)現(xiàn)AEI的親疏水性對(duì)電池性能有顯著影響，他們認(rèn)為AEI憎水性越強(qiáng)越有利于陽(yáng)極生成水的排出，降低陽(yáng)極極化，提高電池性能。然而，他們的研究不能排除AEI電導(dǎo)率對(duì)電池性能的影響。另一研究結(jié)果表明，電導(dǎo)率也并非影響AEI性能的唯一因素，Lu等[9]發(fā)現(xiàn)盡管季胺化聚砜具有更高的電導(dǎo)率，但是它作為AEI組裝的電池性能大大低于以電導(dǎo)率較低的季胺化SEBS為AEI制備的電池。因此，AEI的其他性質(zhì)，比如溶脹度、含水量以及與AEM的相容性均可能是影響其電池性能的因素。

SEBS是以為末端段，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌段共聚物，它是一種多用途的新型熱塑性彈性體，具有良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗老化性和耐熱性。本文以SEBS為基材，經(jīng)過(guò)氯甲基化、三乙胺季胺化和堿化，制備了能夠溶于低沸點(diǎn)溶劑（正丙醇和四氫呋喃混合溶劑）的AEI，并將這種AEI流延法成膜，測(cè)試了其離子交換容量、吸水率、溶脹率和離子電導(dǎo)率，最后對(duì)用這種AEI制備的電池性能和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

SEBS，日本旭化成公司；1,4-二氯甲氧基丁烷，西安藍(lán)晶生物科技有限公司；70%Pt/C，Johnson Matthey公司；陰離子交換膜，組內(nèi)自制[10]；氯仿，無(wú)水乙醇，無(wú)水甲醇，無(wú)水四氯化錫，四氫呋喃，正丙醇，三乙胺，鹽酸，氫氧化鉀和酚酞均為分析純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；氫氣，氧氣，純度＞99%，大連特種氣體有限公司；氘代氯仿，薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司。

Bruker AV-400M核磁共振儀（NMR），德國(guó)Bruker公司；傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司；KFM 2030電子負(fù)載，日本KIKUSUI公司；燃料電池測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)室搭建。

1.2 陰離子交換樹(shù)脂的制備

1.2.1 氯甲基化樹(shù)脂CMSEBS的合成

參照文獻(xiàn)[9-11]方法合成CMSEBS，將2.000 0 g SEBS和60 mL氯仿加入裝有磁子的250 mL三口燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)，磁力攪拌，油浴加熱至55℃，SEBS完全溶解后加入9.6 mL 1,4-二氯甲氧基丁烷作為氯甲基化試劑，1.4 mL無(wú)水四氯化錫作為催化劑，回流反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后向溶液中加入無(wú)水甲醇，有白色絮狀沉淀產(chǎn)生，用無(wú)水甲醇沖洗沉淀3次，將沉淀于室溫（20℃）條件下真空干燥24 h后得到淡黃色絮狀固體CMSEBS。

1.2.2 三乙胺季胺化樹(shù)脂的制備

將0.500 0 g CMSEBS溶于6.9 mL的四氫呋喃中，待CMSEBS完全溶解后加入4.3 mL正丙醇，磁力攪拌，加熱至50℃，形成均相溶液后，加入0.72 mL三乙胺為胺化試劑，回流反應(yīng)24 h，即得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的QASEBS-Cl樹(shù)脂溶液。

1.3 陰離子交換樹(shù)脂的性能表征

為了表征樹(shù)脂的性能，需要將樹(shù)脂鋪成膜進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，由于合成的樹(shù)脂為氯型，需要將得到的膜在KOH溶液中浸泡進(jìn)行堿交換。本文采用流延法[10]于室溫（20℃）條件下成膜，再將得到的膜與1 mol/L KOH溶液中浸泡24 h，再用去離子反復(fù)洗滌取出的膜，直至其洗滌液的pH為7，最后將其浸泡在去離子水中備用。

1.3.1 離子交換容量、吸水率和溶脹測(cè)試

樹(shù)脂的離子交換容量（IEC）采用反滴定法進(jìn)行測(cè)試，取一定質(zhì)量的干膜剪碎浸泡在30.00 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液中，在30℃恒溫水浴中平衡48 h后，取一定量的浸泡液，采用反滴定，以標(biāo)準(zhǔn)濃度的NaOH溶液（濃度為0.01 mol/L）進(jìn)行滴定，以此計(jì)算浸泡液中剩余鹽酸的物質(zhì)的量，滴定過(guò)程中采用的指示劑為酚酞，IEC的計(jì)算公式為：

式中：Mo,HCl為浸泡復(fù)合膜所用鹽酸的物質(zhì)的量，mmol；Me,HCl為返滴定所得到的浸泡液中剩余鹽酸的物質(zhì)的量，mmol；m為實(shí)驗(yàn)中膜干重，g。

參照文獻(xiàn)[10]方法測(cè)定樹(shù)脂的吸水率（WU）和溶脹率（SR）。

1.3.2 OH－電導(dǎo)率測(cè)試

樹(shù)脂離子電導(dǎo)率的測(cè)試采用交流阻抗法，選擇頻率范圍1 MHz～－0.1 Hz，測(cè)量的電勢(shì)振幅為10 mV。測(cè)試體系為四探針體系，測(cè)試膜in-plane方向上的電阻，將膜快速封裝于夾具中后，將夾具放入去離子水中并置于恒溫水浴中，于不同設(shè)定溫度下測(cè)量。離子電導(dǎo)率的計(jì)算公式為：

式中：L為兩電極之間的距離，cm；R為膜電阻，Ω；S為樣品厚度與樣品寬度之間的乘積，cm2。

1.3.3 膜電極制備及單電池測(cè)試

按照一定比例將質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%Pt/C催化劑和制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的樹(shù)脂溶液分散在正丙醇中，超聲分散均勻后，及其噴涂在自制AEM的兩側(cè)，于60℃熱臺(tái)上揮發(fā)溶劑，制得催化劑涂覆膜電極（CCM）。將CCM置于氣體擴(kuò)散層之間形成“三明治”結(jié)構(gòu)于60℃條件下熱壓，形成膜電極組件（MEA）。

將MEA與石墨流場(chǎng)、密封件按順序組裝起來(lái)，即組裝成單電池[12]。單電池性能測(cè)試在自行搭建的評(píng)價(jià)平臺(tái)上完成的，反應(yīng)氣流量由質(zhì)量流量控制器控制，電池和兩個(gè)外增濕器溫度由溫度自動(dòng)控制器控制，此平臺(tái)包括了進(jìn)出口氣體壓力指示，進(jìn)口氣體流速指示和控制，外增濕器溫度的指示和控制，電池溫度的指示和控制，電池電壓、電流指示和負(fù)載等。待單電池運(yùn)行穩(wěn)定后，采用KFM 2030電子負(fù)載測(cè)試單電池的電流-電壓曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹(shù)脂的合成與結(jié)構(gòu)表征

樹(shù)脂的合成路線如圖1所示，將1,4-二氯甲氧基丁烷和無(wú)水四氯化錫加入到SEBS的氯仿溶液中，于55℃條件下反應(yīng)12 h得到CMSEBS，CMSEBS與三乙胺季胺化反應(yīng)得到QASEBS-Cl，再經(jīng)過(guò)KOH堿交換得到OH型的QASEBS。

圖1 QASEBS樹(shù)脂合成路徑

圖2為SEBS和CMSEBS的FITR圖譜。在SEBS的譜圖中，3 059和3 025 cm－1為芳香族化合物中C-H的伸縮振動(dòng)峰；2 919、2 850 cm－1和 1 492、1 452 cm－1為脂肪鏈中 -CH2-的伸縮和變形振動(dòng)峰；1 377和966 cm－1為脂肪鏈中-CH3的變形振動(dòng)特征峰[13]。在CMSEBS的譜圖中，觀察到了-CH2Cl的特征峰：1 263和822 cm－1，由此可以初步確定氯甲基已經(jīng)成功接枝到SEBS中苯乙烯的鏈段上。

圖2 SEBS(a)和CMSEBS(b)的紅外圖譜

圖3 SEBS(a)和CMSEBS(b)的氫核磁圖譜

圖3為SEBS和CMSEBS的1H NMR譜圖。從CMSEBS和SEBS的1H NMR圖譜對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)CMSEBS在化學(xué)位移4.5處出現(xiàn)了一個(gè)清晰的單峰，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，該峰為-CH2Cl的特征峰[14]，因此可以確定氯甲基集團(tuán)已經(jīng)成功引入到SEBS鏈中。另一方面，通過(guò)對(duì)各特征峰進(jìn)行積分可得，在CMSEBS的1H NMR圖譜中，官能團(tuán)9所對(duì)應(yīng)的峰面積與（1+2,3）官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的峰面積之比接近1∶2。如果聚合物中所有苯環(huán)都被氯甲基化，則氯甲基中的氫原子數(shù)與苯環(huán)上其他氫原子數(shù)量之和的比為1∶2。因此，通過(guò)計(jì)算圖中峰面積的比例可以確定SEBS中的苯環(huán)接近100%被氯甲基化。

2.2 離子交換容量、吸水率和溶脹率分析離子交換容量、吸水率和溶脹率是陰離子交換膜三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的性能參數(shù)，其對(duì)膜的離子電導(dǎo)率以及機(jī)械穩(wěn)定性都有重要影響。表1給出了合成的AEI成膜后，在室溫條件下的吸水率、溶脹率以及離子交換容量。在25℃條件下，通過(guò)測(cè)量干膜和濕膜的尺寸和質(zhì)量，得到膜的吸水率和溶脹率分別為57%、20%；在30℃條件下，通過(guò)反滴定測(cè)得膜的離子交換容量（IEC）為 0.21 mmol/g。

2.3 氫氧根離子電導(dǎo)率

AEI的離子電導(dǎo)率是評(píng)估其性能的一個(gè)重要參數(shù),可以采用交流阻抗法測(cè)量，并且通過(guò)阻抗擬合分析膜電阻。

圖4為QASEBS成膜后的在100%增濕、不同溫度條件下對(duì)應(yīng)的離子電導(dǎo)率。從圖4（a）可看出隨著溫度的增加，QASEBS的氫氧根離子電導(dǎo)率逐漸升高。這主要是由于溫度的上升將導(dǎo)致聚合物主鏈間距增大，為離子在其中的遷移提供了較大的自由空間；此外，高溫也會(huì)使氫氧根離子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散系數(shù)得到提升[15-16]。當(dāng)溫度升至80℃時(shí)，QASEBS的離子電導(dǎo)率達(dá)到16.2 mS/cm，大于10－2S/cm，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，說(shuō)明本文合成的QASEBS能夠滿足在AEMFC中應(yīng)用的要求[17]。

圖4 QASEBS成膜后的在100%增濕、不同溫度條件下對(duì)應(yīng)的離子電導(dǎo)率

通過(guò)對(duì)lnσ與1 000/T的關(guān)系進(jìn)行擬合，根據(jù)Arrenhenius公式[14]，可以計(jì)算出膜內(nèi)氫氧根離子傳遞的活化能Ea，Arrenhenius公式為：

式中：R為氣體常數(shù)，數(shù)值為 8.314 J/(K·mol)；b為 ln(σ/S·cm－1)和(1 000/T)/K－1擬合關(guān)系直線的斜率。從圖4(b)的擬合結(jié)果可以得到b為－1.47，計(jì)算可得到Ea為12.21 kJ/mol，接近日本Tokuyama公司A901膜的Ea值[14](14.10 kJ/mol)。

2.4 QASEBS樹(shù)脂的電池性能

膜電極制備：采用合成的AEI作為催化層的粘結(jié)劑和離子導(dǎo)體制備電極，AEM采用組內(nèi)自制的AEH膜[10]，厚度為30 μm；陰極和陽(yáng)極催化劑均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%Pt/C，金屬鉑的擔(dān)載量為0.5 mg/cm2，催化劑與AEI的質(zhì)量比為4∶1，采用噴涂法制備膜電極[12,18]

電池組裝及性能測(cè)試：MEA兩側(cè)依次放置軟石墨流場(chǎng)、密封墊圈，與端板一起組裝成單電池，電極的有效面積為5 cm2。電池的陰極和陽(yáng)極分別通入氫氣和氧氣（純度大于99%），流量分別為100、200 mL/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），氣體經(jīng)過(guò)鼓泡增濕，相對(duì)濕度均為100%，氣體壓力均為0.2 MPa（表壓）。待電池運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)定電池在50℃條件下的電流電壓曲線。

圖5為合成的QASEBS AEI組裝單電池放電的極化曲線，可以看出電池的開(kāi)路電壓為1.04 V，最大功率密度為153 mW/cm2，在達(dá)到最大功率密度時(shí)對(duì)應(yīng)的電流密度為290 mA/cm2，電壓為0.528 V。電池性能與文獻(xiàn)中報(bào)道的電池功率密度還有一定的差距，這主要是合成的AEI的離子電導(dǎo)率較低所致，進(jìn)一步提升AEI的離子電導(dǎo)率就有助于電池性能的提升。

圖6為采用QASEBS AEI組裝的單電池在100 mA/cm2電流密度條件下穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。由圖中可以看出，當(dāng)電流密度為100 mA/cm2時(shí)，電池電壓在0.7 V以上，經(jīng)過(guò)近30 h的穩(wěn)定性測(cè)試，電池電壓未發(fā)生明顯降低。

圖5 QASEBS樹(shù)脂單電池性能

圖6 QASEBS樹(shù)脂單電池穩(wěn)定性測(cè)試

3 結(jié)論

以SEBS為基材，通過(guò)氯甲基化、三乙胺季胺化、堿化成功制備出不溶于水，但在低沸點(diǎn)溶劑（正丙醇和四氫呋喃混合溶劑）中可溶的AEI，并將這種AEI溶液流延法成膜。對(duì)膜的吸水率、溶脹率、離子交換容量和氫氧根離子電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明：膜的吸水率和溶脹率分別為57%、20%，離子交換容量?jī)H為0.21 mmol/g，在80℃時(shí)達(dá)到16.2 mS/cm。采用這種AEI制備的電極，在H2/O2堿性燃料電池測(cè)試中表現(xiàn)出良好的電池性能，電池的開(kāi)路電壓達(dá)到1.04 V，峰值功率密度達(dá)到153 mW/cm2；在電池的穩(wěn)定性測(cè)試中，100 mA/cm2電流密度條件下，初始電壓在0.7 V以上，經(jīng)過(guò)近30 h的穩(wěn)定性測(cè)試，電池電壓未發(fā)生明顯降低。

[1]衣寶廉.燃料電池——原理、技術(shù)、應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2]TANG DAOPING,JING P,SHANFU L,et al.Alkaline polymer electrolyte fuel cells:Principle,challenges,and recent progress[J].SCIENCE CHINA Chemistry,2010,53(2):357-364.

[3]VARCOE J R,SLADE R C T.Prospects for alkaline anion-exchange membranes in low temperature fuel cells[J].Fuel Cells,2005,5(2):187-200.

[4]PAN J,LU S,LI Y,et al.High-performance alkaline polymer electrolyte for fuel cell applications[J].Advanced Functional Materials,2010,20(2):312-319.

[5]WANG Y J,QIAO J L,BAKER R,et al.Alkaline polymer electrolyte membranes for fuel cell applications[J].Chem Soc Rev,2013,42(13):5768-5787.

[6]GU S,CAI R,LUO T,et al.A soluble and highly conductive ionomer for high-performance hydroxide exchange membrane fuel cells[J].Angew Chem-Int Edit,2009,48(35):6499-6502.

[7]VARCOE J R,SLADE R C T,LAM HOW YEE E.An alkaline polymer electrochemical interface:A breakthrough in application of alkaline anion-exchange membranes in fuel cells[J].Chem Commun,2006(13):1428-1429.

[8]MATSUMOTO K,FUJIGAYA T,YANAGI H,et al.Very high performance alkali anion-exchange membrane fuel cells[J].Advanced Functional Materials,2011,21(6):1089-1094.

[9]SUN L,GUO J S,ZHOU J,et al.Novel nanostructured high-performance anion exchange ionomers for anion exchange membrane fuel cells[J].J Power Sources,2012,202:70-77.

[10]ZHAO Y,YU H M,XIE F,et al.High durability and hydroxide ion conducting pore-filled anion exchange membranes for alkaline fuel cell applications[J].J Power Sources,2014,269:1-6.

[11]俞紅梅，劉艷喜.堿性陰離子交換膜燃料電池用立體化樹(shù)脂溶液的制備.中國(guó)，2014107072015[P].2014-11-27.

[12]YANG D L,YU H M,LI G F,et al.Fine microstructure of high performance electrode in alkaline anion exchange membrane fuel cells[J].J Power Sources,2014,267：39-47.

[13]候西鑫.自交聯(lián)聚合物陰離子交換膜的制備及性能[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

[14]ZHOU J,GUO J S,CHU D,et al.Impacts of anion-exchange-membranes with various ionic exchange capacities on the performance of H2/O2fuel cells[J].J Power Sources,2012,219：272-279.

[15]KIM D S,ROBERTSON G P,GUIVER M D.Comb-shaped poly(arylene ether sulfone)s as proton exchange membranes[J].Macromolecules,2008,41(6):2126-2134.

[16]KIM D S,ROBERTSON G P,KIM Y S,et al.Copoly(arylene ether)s containing pendant sulfonic acid groups as proton exchange membranes[J].Macromolecules,2009,42(4):957-963.

[17]VARCOE J R,ATANASSOV P,DEKEL D R,et al.Anion-exchange membranes in electrochemical energy systems[J].Energy&Environmental Science,2014,7(10):3135-3191.

[18]YANG D L,YU H M,LI G F,et al.Effect of gas diffusion electrode parameters on anion exchange membrane fuel cell performance[J].Chin J Catal,2014,35(7):1091-1097.

Anion exchange ionomer based on SEBS for anion exchange membrane fuel cell

GAO Xue-qiang1,2,YU Hong-mei1*,JIA Jia1,2,LIU Yan-xi1,SHAO Zhi-gang1
(1.Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian Liaoning 116023,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

Alkaline anion exchange ionomer（AEI）,as the ion conductor and binder for the catalyst layer of anion exchange membrane fuel cell(AEMFC)membrane electrode assembly, plays an important role in AEMFC's performance and stability. Styrene-ethylene/butylene-styrene (SEBS) was chosen as the starting material and pendant quaternary ammonium-based ionomers-QASEBS was prepared via chloromethylation,quaternization and alkalization,which was insoluble in water,but could dissolve in low boiling point solvent,such as the mixture of n-propyl alcohol and tetrahydrofuran.The QASEBS membrane was prepared by casting,and the membrane water uptake,swelling ratio,ion exchange capacity and hydroxide conductivity was characterized.The results show that the membrane water uptake and swelling ratio are 57%and 20%at 25℃,respectively;the ion exchange capacity is 0.21 mmol/g at 30℃;the hydroxide ion conductivity reaches 1.62×10－2S/cm at 80℃.The hydrogen/oxygen AMFC using this AEI exhibites good performance and durability.The open circuit voltage is 1.04 V and the maximum power density is 153 mW/cm2.Besides,during the durability test,the initial cell voltage is above 0.7 V at 100 mA/cm2.After 30 hours,the cell voltage almost remains unchanged.

anion exchange ionomer;block copolymer;membrane electrode assembly;alkaline membrane fuel cell

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)07-0989-05

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91434106);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”課題)(2012CB215504)

高學(xué)強(qiáng)(1988—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)槿剂想姵亍?/p>

俞紅梅,E-mail:hmyu@dicp.ac.cn