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1、第31卷第3期膜科学与技术Vol.31No.32011年6月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYJun.2011燃料电池全氟磺酸质子交换膜研究进展1*21张永明,唐军柯,袁望章(1.上海交通大学化学化工学院,上海200240;2.山东东岳高分子材料有限公司,淄博256401)摘要:全氟磺酸质子交换膜作为质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的关键部件得到广泛关注.介绍了国内外全氟磺酸质子交换膜的发展历程和现状,讨论了商业化全氟磺酸膜存在的高温质子传导率低和燃料渗透率高等问题.最后结合我们
2、的研究工作综述了解决这些问题的方法和研究进展.关键词:全氟磺酸质子交换膜;质子交换膜燃料电池;结构;性能;应用中图分类号:O484文献标识码:A文章编号:1007-8924(2011)03-0076-10质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密树脂(PFSA)分子的主链具有聚四氟乙烯结构,分度、高能量转换效率、环保无污染、低热辐射和低排子中的氟原子可以将碳-碳链紧密覆盖,而碳-氟键放、无噪音等特点,不仅成为未来纯电动汽车、小型键长短、键能高、可极化度小,使分子具有优良的热固定基站和便携式用电设备的最理
3、想能源,具有广稳定性、化学稳定性和较高的力学强度,从而确保了阔的市场前景;而且在航空航天和军事领域的应用聚合物膜的长使用寿命;分子支链上的亲水性磺酸[2-6]也在不断扩大.因此,世界各国特别是西方发达国家基团能够吸附水分子,具有优良的离子传导特[7,8]政府和工业界(特别是汽车公司如奔驰、丰田、本田、性.因此,自20世纪80年代初加拿大Ballard公GM等)都对PEMFC的研发投入了巨大的财力和司将全氟磺酸质子交换膜用于PEMFC并获得成功[9,10]物力.目前世界各地已有很多燃料电池汽车在运营以来,全
4、氟磺酸膜成为现代PEMFC最主要的示范,如GMHydrogen1、ToyotaFCHV等.这些也是唯一商业化的膜材料.另外,全氟磺酸膜除了作汽车公司也都先后公布了它们2015年燃料电池汽为以氢气为燃料的PEMFC的核心部件外,还被作车商业化计划.为传导及隔离膜广泛应用于以甲醇为燃料的直接甲在PEMFC中,质子交换膜起着传导质子、用作醇燃料电池(DMFC)中.本文将首先介绍目前已商电极反应介质和催化剂载体、隔离阴极和阳极反应业化的全氟质子交换膜,然后结合本课题组的研究物的作用,是整个电池的心脏.优异的PEM
5、FC质子工作对燃料电池膜改性和性能提高等方面的进展进交换膜应具有下列性质:(1)低的燃料和氧化剂渗行探讨.透性;(2)高的质子传导率;(3)优异的化学和电化学1商业化的全氟质子交换膜现状稳定性,以保证电池的工作寿命;(4)良好的热稳定性;(5)好的尺寸稳定性(燃料电池在实际使用时总目前,世界上能够提供商业化全氟磺酸质子交是处于干态、湿态的转换过程中,这就要求膜具有良换膜的公司主要包括美国Dupont、Gore和3M公好的尺寸稳定性);(6)良好的机械强度;(7)适当的司、比利时Solvay公司、日本Asa
6、hiGlass及Asahi性价比.上世纪60年代GE公司为美国双子星座计Kasei公司.山东东岳集团和上海交通大学在国家划开发了使用聚苯乙烯离子交换膜作为电池隔膜的/8630计划和/十一五0科技支撑计划的支持下,密切质子交换膜燃料电池,但是由于这种膜的化学稳定合作,掌握了全氟离子交换树脂原料、中间体、单体[1]性和导电性较差,无法大规模应用.由于全氟磺酸制备,聚合反应,浇铸成膜等一系列核心技术,并成收稿日期:2011-05-08作者简介:张永明(1960-),男,河南开封市人,博士,教授,从事含氟功能材料
7、研究.*联系人3ymzsjtu@yahoo.com.cn4第3期张永明等:燃料电池全氟磺酸质子交换膜研究进展#77#功研制出基于长链及短链全氟磺酸树脂的质子交换倍,机械强度比NR211提高了1.5倍,水合膨胀率膜.图1是目前已商业化的全氟磺酸质子交换膜材则减小了50%.加速老化实验表明,NafionXL-100料的结构通式,表1给出了相应生产商和产品基本膜的氟离子释放率进一步下降到第二代膜NRE211[13]参数.的1/40.表2DupontNRE211和NRE212膜的主要物理性质Table2Mainp
8、hysicalpropertiesofDupontNRE211andNRE212数据图1全氟磺酸树脂的分子结构指标NRE211NRE212Fig.1Structuralparameters,thicknesses,andmanufacturesof厚度/Lm25.450.8variousperfluorosulfonicacidmembranes物理性质表1各种全氟磺酸树脂膜结构及其基本参数拉伸强度(纵向)/MPa2332Ta
