换膜的一个重要的组成部分。
1。1 质子交换膜(PEM)概述
1。1。1 燃料电池对 PEM 的要求
PEMFC 的重要部分即为质子交换膜(PEM)[5],它不但可以传递 H+,而且也具有防止 阴极和阳极的物质之间的相互接触的作用[6]。PEM 的性质直接影响了 PEMFC 的性能[7]。因此, 良好的 PEM 能够提高燃料电池的性能。论文网
应用于燃料电池中的性能优异的 PEM 应当满足以下几个要求:
(1)质子导通率[8]良好,从而增强燃料电池的电化学效率;
(2)化学性质稳定,不易与其他物质发生反应;
(3)具有良好的亲水性;
(4)热稳定性良好,热分解温度高;
(5)柔韧性良好且机械性能优异;
(6)尺寸稳定不易变形;
(7)制备成本低;
(8)较低的反应气体渗透率[9];
(9)良好的抗降解性能,不易腐蚀,可以提高电池的使用寿命[10]。
1。1。2 PEM 的分类及特点
PEM 的制备材料有 Nafion、聚乙烯醇(PVA)、聚四氟乙烯(PTFE)等微孔膜材料[11]。 因此,依据 PEM 的结构及其制备方法,可以将其分为以下几类:
(1)全氟磺酸 PEM
全氟磺酸膜是早期的 PEM 的主要材料,它是用全氟磺酸树脂加工而成,因此又称为全氟 磺酸离子交换膜[12]。如今广泛使用的全氟磺酸膜主要有美国杜邦公司生产的 Nafion 系列,Dow 公司制备的 Dow 系列等。全氟磺酸膜的化学结构式如图 1。2 所示。全氟磺酸膜内离子簇微观 结构如图 1。3 所示。Nation 和 SPEEK 膜微观结构示意图如图 1。4[13]所示。
全氟磺酸 PEM 的骨架均为碳氟键构成,末端侧链均连接着不同数量的磺酸基团[14]。膜 结构中的碳骨架可以防止膜被电化学反应产生的自由基所降解,因而该种 PEM 的化学性质非 常稳定,且用在燃料电池中的使用寿命较长。膜结构中的磺酸基团则是传递 H+的媒介,使得 H+可以在电池的阴极和阳极之间不断转移,因此该种 PEM 的电导率性能优异。
虽然全氟磺酸 PEM 的优点很多,但在生产和使用方面依然存在一些问题,如制备过程困 难、加工成本较高、膜受含水率和温度影响较大、难以商业化应用等等[15]。
图 1。2 全氟磺酸膜的化学结构式
图 1。3 全氟磺酸膜内离子簇微观结构
图 1。4Nation 和 SPEEK 膜微观结构
(2)部分含氟 PEM
与全氟磺酸 PEM 相比,部分氟化 PEM 的加工成本较低,它一般使用辐射接枝法进行制 备,因此也称为含氟接枝磺酸 PEM[16]。图 1。3 所示的即为其中一种 BAM3G 膜的化学结构示 意图。
该种 PEM 的优点有:机械性能良好、化学性质稳定、热稳定性好,而且拥有几乎与 Nafion
膜相媲美的电导率和比 Nafion 膜低很多的加工成本。
该种 PEM 的缺点有:抗降解性能差,在较高的温度环境中会发生降解而影响燃料电池的 有效使用寿命,因此很难满足燃料电池的使用要求。
图 1。5 BAM3G 膜的化学结构示意图
(3)非氟型 PEM
非氟型 PEM 一般由磺化的芳香族聚合物膜制备而成,这类聚合物膜不仅机械性能良好, 而且化学性质很稳定,热分解温度也很高。非氟型 PEM 一般有:磺化聚芳醚酮 PEM[17](其 化学结构如图 1。6 所示)、磺化聚酰亚胺 PEM(其化学结构如图 1。7 所示)、聚苯并咪唑基 PEM、 磺化聚苯并咪唑 PEM 等。
磺化的芳香族 PEM[18]的优点有:热分解温度高,适合在高温环境中的燃料电池的使用; 电化学反应产物清洁无污染,属于环境友好型产品;制备加工成本低廉,可以广泛用于商业 化发展等。 PTFE微孔膜的改性及其性能研究(3):http://www.youerw.com/cailiao/lunwen_89727.html