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碱性聚合物膜燃料电池使用碱性阴离子交换复合膜为电解质,具有反应动力学快、燃料渗透率低、不会生成碳酸盐、CO中毒概率小可以使用非铂催化剂等优点,特别是近年来成为研究热点。然而,由于氢氧根离子(OH-)的扩散速率仅为氢离子(H+)的1/4,因此获得较高的电导率、降低活化极化,对碱性阴离子交换复合膜尤为重要。另一方面,膜的稳定性,尤其是在高浓度的碱液中的耐碱稳定性和尺寸稳定性也成为制约碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)发展的一个重要因素。本论文通过物理-化学双交联法设计、制备了基于聚乙烯醇／聚二甲基二烯丙基氯化铵的交换复合膜(PVA/PDDA-OH-)并成功应用于燃料电池。该类复合膜由于PDDA特殊的五元环结构,加之物理-化学双交联法在膜内部形成的致密网络结构,使制备的PVA/PDDA-OH-碱性阴离子交换复合膜不仅具有高的离子传导率(>10-2S cm-1),同时表现出优异的稳定性和力学强度。采用傅里叶红外分析(FTIR)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)和交流阻抗(AC impedance)等方法详尽考察了PVA/PDDA碱性阴离子交换膜的内部分子结构、微观形貌、热稳定性、氧化稳定性、耐碱稳定性、电导率和含水率、拉伸强度,以及不同组分效应、PDDA分子量效应及碳纳米管添加效应对膜性能的影响以及单电池发电性能,具体结论如下：(1)红外谱图和电镜照片研究表明：PVA/PDDA-OH-碱性阴离子交换复合膜内部形成了致密的网络结构,说明物理-化学双交联法成功应用于该类膜的制备。(2)PVA/PDDA-OH-碱性阴离子交换复合膜具有较高的电导率,且电导率随着PDDA含量的增加而增加,在PVA/PDDA质量比为1：0.5时达到最大值0.025S cm-1,此后进一步增加PDDA含量导致电导率的下降。同时,膜的电导率也随着PDDA分子量的增大而呈明显上升趋势,以高分子量PDDA (Mw=400,000～500,000)所制备的碱性膜的电导率达到0.027S cm-1。(3) PVA/PDDA-OH"碱性阴离子交换复合膜具有优良的热稳定性、氧化稳定性及耐碱稳定性。TG分析表明,在170℃之前该类膜表现出很好的热稳定性,没有观察到质量损失；经80℃8mol·L-1KOH溶液加速老化处理360h后,膜电导率仍然保持在0.01S cm1；经过60℃3%H2O2处理240h后,膜的重量仍维持在80%。PVA/PDDA-OH-碱性阴离子交换复合膜优良的稳定性可能与物理-化学双交联法使得膜内形成的致密半互穿网络结构以及PDDA自身特殊的五元环结构有关。(4)多壁碳纳米管(MWCNTs)的掺杂使得膜的稳定性得到进一步提高,特别是表现在膜的力学性能上。拉伸强度试验表明：掺杂3%MWCNTs的PVA/PDDA-OH"碱性阴离子交换复合膜,其拉伸强度为40.3MPa,拉伸延长率为12.3%,杨氏模量为782.8MPa,与未添加MWCNTs相比分别提高了46.5%、186.0%和6.13%。同时,碳纳米管的添加使得膜的内部结构更为紧密,进一步降低了膜的含水率,从而提高了膜的各项性能。(5)单电池发电的初步结果显示：以PVA/PDDA-OH-碱性阴离子交换复合膜所制备的膜电极(MEA)具有优良的发电性能。不同PVA/PDDA组成的MEA发电功率分别为11.5(PVA/PDDA=1:0.25),14.8(PVA/PDDA=1:0.75)和32.7(PVA/PDDA=1:0.5) mW cm-2,开路电压(OCV)分别为0.6V (PVA/PDDA=1:0.25),1.1V (PVA/PDDA=1:0.75)和1.0V (PVA/PDDA=1:0.5),与日本TokuyamaA901商用碱性膜发电功率(37.7mW cm-2)和OCV (1.05V)非常接近。不同PDDA分子量的MEA发电结果分别为：18.2(PVA/PDDA-ULMw),23.4(PVA/PDDA-LMw),28.5(PVA/PDDA-MMw)和35.1mW cm-2(PVA/PDDA-HMw)。进一步MWCNTs添加后的发电功率得到明显提高,室温下发电功率密度达到41.3mW cm-2,比未添加MWCNTs提高了26.3%,改变运行环境到40℃时发电功率迅速上升为66.4mW cm-2。进一步以质量比为1：0.5的PVA/PDDA-HMw碱性阴离子交换复合膜为例,进行发电寿命实验。结果表明：25℃下以50mA cm-2恒流放电,经80h后发电功率密度没有明显衰减,电池的工作电压下降仅为0.15V,表明PVA/PDDA-HMw碱性阴离子交换复合膜可应用于燃料电池的巨大潜能。碱性阴离子交换复合膜的优势在于适用于非铂催化剂,最后本实验采用本实验室自制的碳载钴酞菁(40%CoPc/C)做阴极催化剂,当载量为3.2mg cm-2,阳极催化剂为0.5mg (Pt) cm-2时,掺杂1wt.%MWCNTs的PVA/PDDA-OH碱性阴离子交换复合膜的发电性能室温下功率密度为9.1mW cm-2,40℃时为14.0mW cm-2,进一步展现出以PVA/PDDA-HMw碱性阴离子交换复合膜应用于碱性燃料电池良好的非铂基催化剂应用前景。