基于3D界面层可控构筑的高性能双极膜制备及双极燃料电池性能提升研究

It is very crucial to reduce the interfacial reaction resistance of bipolar membrane and make it steady operation under high current density in the research field of fabricating high performance bipolar membrene and enhancing performance of self-humidifying bipolar fuel cell. In this research project, the transparent nano-fiber bipolar membrane with 3D interfacial layer will be fabricated by concurrent dual-fiber electrospinning of sulfonated polyetheretherketone (SPEEK) cation nanofiber and quaternized polyphenylene oxide (QPPO) within intermediate interfacial layer of bipolar membrane. The interlocking of the anion and cation nano-fiber in the intermediate 3D interfacial layer can increase reaction activity area of the interfacial layer and prevent the delamination of anion exchange membrane layer and cation exchange membrane layer. The controllable construction of 3D interfacial layer will be investigated, including the effect of the ratio of anion to cation nano-fiber, density and matching of fixed charges（SO3−and N+）and the thickness of 3D interfacial layer on the microstructure of 3D interfacial layer, interfacial reaction resistance and failure behavior of bipolar membrane. The thickness of anion and cation exchange membrane layer, bipolar interface of different 3D interfacial layer structure on the output power of bipolar membrane fuel cell will be carefully evaluated. Research results will initiate a new research field to prepare the high performance bipolar membrane and improve the performance of bipolar fuel cell.

降低双极膜的界面反应电阻并使其能在高电流密度下稳定工作在高性能双极膜制备和提升自增湿双极燃料电池性能研究领域至关重要。本项目采用静电纺丝技术，在双极膜的中间界面层同时共纺磺化聚醚醚酮（SPEEK）阳离子、季胺化聚苯醚（QPPO）阴离子纳米纤维来制备拥有3D界面层结构的透明纳米纤维双极膜。通过界面层中阴、阳离子纳米纤维的交叉互锁增大中间界面层的反应活性面积，并防止阴、阳离子交换膜层分离，进一步提升双极燃料电池的输出功率。主要研究3D中间界面层的可控构筑，包括界面层中的阴、阳离子纳米纤维比例，固定阳、阴离子（SO3−与N+）电荷密度及匹配，3D界面层的厚度等对3D中间界面层微观结构和纳米纤维双极膜界面反应电阻、失效行为的影响；重点研究阴、阳离子膜层厚度以及不同3D界面层结构的双极界面对双极燃料电池输出功率的影响。研究结果将为高性能双极膜的制备和双极燃料电池性能提升开拓一个新的研究视野。

双极膜由阴、阳离子交换膜复合而成，现有双极膜的中间界面层均为2D结构，在电渗析和燃料电池中使用，电流密度低且阴、阳离子交换膜层易出现分离，为了解决该问题，本项目通过静电共纺季胺化聚苯醚（QPPO）、磺化聚醚醚酮（SPEEK）阴、阳离子纳米纤维，构建了一种中间层为3D结构的双极膜，按照资助项目计划书以及年度研究计划要求，首先制备了基于磺化聚醚醚酮（SPEEK）的两种改性质子交换膜，一种为硅烷交联的SPEEK膜，另外一种为侧链型磺化聚醚醚酮（SCSPEEK）质子交换膜，质子电导率在80°C、100%相对湿度条件下达到了0.096—0.114S/cm，达到预期研究目标；接着制备了一种硅烷交联的季胺化聚苯醚（QPPO）改性阴离子交换膜和非氮位键接哌啶聚苯醚阴离子交换膜，尽管后者在80℃时的OH-电导率可达到63.48 mS cm-1 ，但高温耐碱稳定性还需要进一步提高，因此，我们也合成制备了一种类似Nafion主侧链结构的新型阴离子交换膜，尽管耐碱稳定性有所提高，但这个难题还需要进一步研究；最后依托上述阴、阳离子交换树脂制备了3D 中间界面层双极膜，并对这种3D 中间界面层双极膜进行水解离和双极燃料电池进行研究，结果表明该膜可在高电流密度（1000mA/cm2）下工作且双极燃料电池的最大输出功率达到 600 mW/cm2，详细的研究结果见报告正文。上述研究结果将为高性能双极膜的制备和双极燃料电池性能提升指明了研究方向。总之，在项目组成员以及研究生的努力下，很好地完成了该项目，发表英文SCI论文10篇，中文核心期刊1篇，申请中国发明专利18项（授权13项），培养了硕士研究生9名，研究成果数量达到资助计划任务书的要求。