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。