质子交换膜的用途

【专家解说】：答:主要用来制造燃料电池 质子交换膜膜材料改进及应用 质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点被公认电动汽车、固定发电站等首选能源燃料电池内部质子交换膜质子迁移和输送提供通道使得质子经过膜从阳极达阴极与外电路电子转移构成回路向外界提供电流因此质子交换膜性能对燃料电池性能起着非常重要作用好坏直接影响电池使用寿命 迄今常用质子交换膜(PEMFC)仍美国杜邦公司Nafion®膜具有质子电导率高和化学稳定性好优点目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜国内装配PEMFC所用PEM主要依靠进口Nafion®类膜仍存下述缺点:(1)制作困难、成本高全氟物质合成和磺化都非常困难而且成膜过程水解、磺化容易使聚合物变性、降解使得成膜困难导致成本较高;(2)对温度和含水量要求高Nafion®系列膜佳工作温度70~90℃超过此温度会使其含水量急剧降低导电性迅速下降阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂毒难题;(3)某些碳氢化合物甲醇等渗透率较高适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)质子交换膜 因此了提高质子交换膜性能对质子交换膜改进研究正断进行着从近两年文献报道看改进方法采用下几种方法: (1)有机/无机纳米复合质子交换膜依靠纳米颗粒尺寸小和比表面积大特点提高复合膜保水能力从而达扩大质子交换膜燃料电池工作温度范围目; (2)对质子交换膜骨架材料进行改进针对目前常用Nafion®膜缺点或Nafion®膜基础上改进或另选用新型骨架材料; (3)对膜内部结构进行调整特别增加其微孔使成膜方便并解决催化剂毒问题 另外除了3种改进现有许多研究都或多或少采用了纳米技术使材料更小性能更佳 下对采用三种方法文献进行简要介绍 (1)有机/无机纳米复合质子交换膜 2003年12月4日公开Columbian化学公司世界专利WO2003100884揭示了种磺酸导体聚合物接枝碳材料其制作工艺含杂原子导体聚合物单体碳材料氧化聚合并磺化接枝该方法也进步金属化聚合物接枝碳材料含碳材料碳黑、石墨、纳米碳或fullerenes等聚合物聚苯胺、聚吡咯等其质子电导率8.9×10-2S/cm(采用Nafion-磺酸聚苯胺测试) 国内较多专利均采用类似方法2003年6月公开清华大学国专利CN1476113膜基体含磺酸侧基芳杂环聚合物加溶剂形成均匀混合物加入无机物形成悬浮物通过纳米破碎技术对该悬浮物进行破碎得分散均匀浆料用浇注法制膜其形成膜结构均匀、相当致密能良好地抗甲醇渗透还具有良好化学稳定性和质子传导性甲醇渗透率小于5% (2)对膜骨架聚合物材料进行改进 《Journal of Membrane Science》杂志2005年刊登了香港大学发表论文其采用原位酸催化聚合法Nafion和聚糠醇共聚由该材料制备质子交换膜明显改善了还原甲醇流量其质子电导率0.0848S/cm 2004年公开山大学国专利CN1585153介绍了种直接醇类燃料电池改性质子交换膜制备方法所述制备方法市售磺化树脂原料并加入无机纳米材料通过流延法、压延法、涂浆法或浸胶法等成膜方法来制备质子交换膜 (3)对膜内部结构进行调整 《Elctrochimica Acta》杂志2004年刊登了韩国Gwangju科技学院论文其采用了选择改进型聚合物质子交换膜其选用了磺化聚苯乙烯-b-聚(乙烯-γ-丁烯)-b-聚苯乙烯共聚物(SSEBS)微观形态下观察呈现出纳米结构离子通道种质子交换膜电抗性比普通质子交换膜更优异 2001年公开由华科技大学申请国发明专利CN1411085其块厚度h≤1mm陶瓷薄膜构上有序分布有若干微孔其孔径n≤2mm微孔遍布整陶瓷薄膜所述陶瓷薄膜微孔内填充有高电导率电解质孔径n好纳米数量级该质子交换膜制备方法:首先厚度h≤1mm金属薄膜上制备有序微孔;再用电化学方法或其方式氧化成陶瓷薄膜;陶瓷薄膜微孔填充高电导率电解质种方法成膜容易制造成本低特点并且通过提高质子交换膜工作温度解决催化剂毒问题 此外近期国外报道些质子交换膜制造方法还有: WO200545976Renault公司于2005年5月19日申请有关离子导体复合质子交换膜专利其揭示了种离子导体复合膜制造方法包括a)组合电子和离子性非导体聚合物或溶液或熔融状态下低熔点盐与至少两种聚合物混合;b)与硅土水解类有机前驱体结合;c)与相适合杂多酸有机溶液混合铸造成膜特别成薄膜状厚度5~500微米具有平滑表面离子导体孔道纳米级其聚合物选择聚砜类和聚酰亚胺树脂终质子电导率433k100%RH条件下测试达(1.1~3.8)×10-2S/cm 2005年3月10日公开SABANCI大学世界专利WO200521845使用了种金属涂层纳米纤维此外还涉及电子纺纱纳米纤维金属涂层工艺 表1和表2分别列出了上新方法所采用材料、质子电导率及终燃料电池性能 目前对新方法研究还未成熟有些缺点还有待进步完善例:添加无机物复合膜会变脆且硬成膜性变差所复合膜有机物与无机物之间适当比列变得尤其重要也今研究方向之此外加入纳米粒子膜综合性能纳米粒子分散性能、控制反应能量方面研究也值得进步关注