新型高性能阻醇质子交换膜纳米多级质子传输通道构筑及构效关系研究

Commercialization of direct methanol fuel cell (DMFC) is hindered by the relatively low proton conductivity and serious methanol permeation issue of the currently used proton exchange membranes (PEMs). Aiming to solve these issues, this project will design and synthesize novel alternative self-assembled PEMs based on the concept of novel three-dimensional (3D) nano-scale hierarchical proton conductive channel (nano-HPCC) and will study the essential relationships between nano-HPCC structure and performance of the related PEMs. The nano-HPCC will be in-situ controllably constructed during the fabrication of three-dimensional PEM via self-assembly of the size-controllable functionalized proton conductive macromolecules. Proton conductivity, methanol-permeation resistivity and mechanical property of the PEMs will be characterized and systematical structure-performance relationships will be summarized by combining the experimental synthesis with computational fluid dynamic modeling, electrochemical technology, morphology characterization, stability measurements and fuel cell testing. Effective guidelines will be concluded for the molecule design of novel high performance PEM to resolve the contradiction between proton conductive efficiency and methanol permeation resistivity, methanol resistive PEM with high proton conductivity will be designed and fabricated. Effective energy density of DMFC will therefore be significantly improved and commercialization process of the DMFC technology will be strongly promoted.

本课题针对直接甲醇燃料电池质子交换膜（PEM）质子电导率偏低及燃料渗透严重的问题，设计新型高分子PEM，构筑三维纳米多级质子传输通道，并对其结构与性能之间的关系进行深入研究。设计尺寸可控功能化大分子质子导体，通过自组装手段在制备高稳定性三维PEM的过程中实现纳米多级质子传输通道的原位可控构筑。基于有针对性的分子设计及合成，结合基础电化学技术、形貌表征、流体动力学模拟、稳定性测试和器件性能测试等手段，研究PEM的质子传输效率、抗燃料渗透能力及机械性能，总结并提出纳米多级质子传输通道的微观结构与三维自组装PEM性能之间的构效关系。实现从分子角度精确设计高性能PEM的目的，解决PEM中存在的质子传输效率与阻醇能力之间的矛盾，实现质子电导率与抗燃料渗透能力的同步提高，提升直接甲醇燃料电池的实际输出能量密度。本课题将对直接甲醇燃料电池技术的产业化进程具有促进作用。

本课题针对直接甲醇燃料电池质子交换膜（PEM）质子电导率偏低及燃料渗透严重的问题，期望通过构筑新型三维纳米多级质子传输通道，实现新型PEM同时具备高阻醇性能及高质子电导率。在项目实施过程中，首先通过设计尺寸可控功能化大分子质子导体，通过自组装手段在制备高稳定性三维PEM的过程中实现纳米多级质子传输通道的原位可控构筑；通过结合基础电化学技术、形貌表征、稳定性测试和器件性能测试等手段，研究了PEM的质子传输效率、抗燃料渗透能力及机械性能，总结并提出纳米多级质子传输通道的微观结构与三维自组装PEM性能之间的构效关系；在构效关系的指导下，通过高分子合成路径的设计将新型三维纳米多级质子传输通道引入至不同的高分子体系中，优选合适的高分子材料制备高阻醇性能PEM用于DMFC。同时，这类基于新型三维纳米多级质子传输通道的高分子质子导体还被应用到现有商业质子交换膜改性中，实现对商业化质子交换膜质子传输通道的重构，保持质子交换膜机械/化学稳定性的同时，提升其质子电导率及阻醇性能的提升，并在此过程中开发了一种新型无损质子交换膜改性的策略，在应用于直接甲醇燃料电池的同时，可以在高温质子交换膜领域的应用。此外，利用这类高分子质子导体中丰富的质子传输网络，项目还进行了高性能电化学催化剂的研究。在此基础上，项目通过对膜电极复合体（MEA）制备方案的优化，实现了以20 M高浓度甲醇溶液进样的直接甲醇燃料电池的高效工作。研究成果对直接甲醇燃料电池技术的产业化进程产生了促进作用。