燃料电池质子交换膜概述

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1、燃料电池质子交换膜橛述东方电气集团中央研究院，成都611731摘要：高性能、低成本质子交换膜的开发对于清洁、高效燃料电池技术的广泛应用具有重要意义。本文从质子交换膜的性能要求出发，重点概述了本体质子交换膜和复合质子交换膜的结构特点、性能优势与不足及其制备技术，并展望了质子交换膜的研究方向和发展趋势。关键词：燃料电池；质子交换膜；膜结构：制备中图分类号：TM9l1文献标识码：A文章编号：1001—9006(2015)03—0006-08ProtonExchangeMembraneforFuelCellApplicationLlTtng，DUKun，XIEGuangyou{CentralR

2、esearchAcademyofDonngElectricCmporation．6II73I．Chengd,I，China)Abstract：Fueleellle(hnoh)gyisallractingmoreattentioninR&Dandproduetcommercialization．Protonexchangenlenlbrane(PEM)．thekeycomponentoffileleellstack，playsanimportantroleinloweringeost，improvingperformanceal(textendinglifetimeoffuelcells

3、ystem．Inthispaper．PEMwitl1singlet!onlponcnlandcompositeslructulearereviewedin

4、erlnsoftheirCOlliposition．performal1t’eandfabricationmethods．rherPL．entR&DI-esuhsassociatedwithPEM’Skeytet’lmi(’alissuestiresmumarizedaswPII．Keywords：fuel(’ell；proto)IexchangeO1~?11[)1．ane；membranestruclure；fabrication

5、以氢为燃料的燃料电池可实现化学能向电能性能提升、成本降低及产业化推广具有最要意义。的高效转化，热电联机效率高达95％以上，兼具1PEMFC的工作原理及质子交换膜的性能要求环境友好、安全可靠、易于操作维护等突出优势，被认为是2l世纪最具发展前景的新型发电技术。PEMFC的_r作过程如图1所示，即在阳极催在日趋紧迫的能源和环境压力下，燃料电池必将化剂的作用下，氢气发生氧化反应形成质子和电逐渐取代传统电源，广泛应用于备用电源、分布子，质子穿过质子交换膜与通过外电路做功的电式电站、交通及航空航天等诸多领域。近年来，子到达阴极，在阴极催化剂的作用下，与氧气发欧美等发达围家均将燃料电池作为重点资助

6、项目，生还原反应生成水。化学反应过程如下式所示：我围也再次掀起了该领域的研究热潮。阳极反应：H，一2H+2e一质子交换膜燃料电池(PEMFC)以同态聚合物阴极反应：0，+4e一+4H2H，O隔膜为电解质，不存在电解液泄漏和腐蚀问题，基于PEMFC的T作原理，质子交换膜具有传并具有电流密度大、比功率高、可室温快速启动导质子、隔离正负电极的双重作用，其性能要求等独特优势，被认为是最具发展潜力的燃料电池如下。技术。质子交换膜作为电源系统中的核心关键材(1)优异的质子传导性。电导率一般要求达到料，性能将直接影响电源系统的稳定性和耐久0．1S／cm的数量级。性，此，开发高性能质子交换膜对于PEM

7、FC的(2)突出的化学稳定性。质子交换膜在PEMFC收稿日期：作者简介：6性，使全氟磺酸膜具有较高的质子导电性。最典型的全氟磺酸膜是Dupont公司于1962年研发的Nation膜，其良好的质子传导性和稳定的化学结构，显著提高了电池性能和运行寿命其它商业化的全氟磺酸膜几乎都是以Nation的结构为基础。罔2为几种商品化全氟磺酸质子交换膜的分子结构，Dupont公司的Nation膜、Dow公司的Dow膜、Asshiglass公司的Flemion膜和Asahichemical公司的Aciplex膜。表1列举了几种商品化全氟磺酸膜的基本性能参数。特殊的分子结构决定了全氟磺酸膜在在PEMFC系

8、统中优异的综合性能，但高昂的价格已经成为限制其大规模应用的主要障碍。图1PEMFC反应原理示意图运行条件下，结构稳定，不易发生降解和失效。(3)良好的机械性能。质子交换膜在干／湿态条件下具有良好的机械强度和粘弹性，保证其长期稳定运行及与催化层的良好结合。(4)较低的气体渗透性。为避免H和O在电檄表面发生反应，造成局部过热，质子交换膜应具有低的气体渗透性，一般要求气体渗透系数小干l0～cm．cIn／／cIYI。·s·cmHg。图2商品化全氟磺酸质