燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势

膜材料科学与技术

课程作业

燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师

姓名：鲜开诚

学号：C61114012

专业：新能源材料与器件

燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势

鲜开诚

（安徽大学化学化工学院合肥230601）

摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。

关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物

Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells

Xian Kai-cheng

(Department of Chemistry and Chemical Engineering,

Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend of proton exchange membranes are provided.

Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer

1燃料电池质子交换膜及其工作原理

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应方式直接转换成电能的高效电装置,其能量转换率高,是一种环境友好的新型能源。

燃料电池的种类很多,质子交换膜燃料电池是其中的一种,其最大的优点在于它能在室温附近工作,而且电池启动快,能量转换率高,它不仅可以替代普通的二次电池,而且可以作为汽车的动力源,从而大大减少环境污染。质子交换膜在燃料电池中所起的作用与一般的化学电源中所用的隔膜不同。首先,它不仅仅是一种将阳极与阴极隔开的隔膜材料,而且还是电解质和电极活性物质的基底。另外,质子交换膜还是一种选择透过性膜,而通常用的隔膜都是多孔薄膜。也就是说,质子交换膜的作用是双重的,作为电解质提供质子通道并且作为隔膜隔离两极反应气体。

a b c d c b a

a-双极板b-扩散层c-催化剂层d-质子交换膜

图1 膜电极结构图

Fig.1 Structure of Menbrane Electrode

在燃料电池的结构设计中，膜与两极组成“三明治”结构的膜电极（Membrane Electrode Assembly,MEA）。（如图1）它主要由五部分组成，即阳极扩散层、阳极催化剂层，质子交换膜、阴极催化剂层和阴极扩散层组成。另外，在膜电极的两边分别对应有阳极集流板和阴极集流板，即双极板[1]。MEA的工作过程如下：（如图2）

①含水的氢气通过双极板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层并吸附

于其上，然后在铂催化剂的作用下，发生如下反应：

H2 →2H+ + 2e-

②质子进入质子交换膜，与膜中的磺酸基上的氢离子发生交换，使氢离子到达

阴极。同时，阴极含水的氧气也从双极板通过扩散层，吸附于阴极电催化剂层中，并与交换而来的氢离子在铂的催化作用下发生反应，即:

O2 + 4H+ -4e- →2H2O

图2 PEMFC工作原理图

Fig.2 The principle of PEMFC

上述过程是理想的工作过程，实际上，电池工作过程中阳极氧化与氧的阴极还原不是一步完成的，有许多中间产物和步骤。

2含氟质子交换膜

含氟质子交换膜分子骨架含有大量的C-F键，因为C-F键的键能比C-H键高得多，因此具有优异的化学稳定性和使用寿命，从而可大大促进固体电解质燃料电池的开发。

2.1全氟磺酸型质子交换膜

全氟磺酸膜主要是美国Dupont公司生产的Nafion系列膜，目前H2/O2燃料电池中广泛采用的是这种膜，其化学结构如图3：

全氟磺酸型质子交换膜有以下优缺点[2]：

( 1) 优点

①

高的化学稳定性, 如在150℃的强酸和氧化环境中仍能保持良好的稳定性 ②

高的机械强度及在高湿度下高的导电率 ③

低温下实现高的电流密度 ④ 离子传导电阻小, 氧在其中的还原速度明显快于其它各种酸性电解质, 其原

因是膜中的阴离子固定在膜内的聚合物主体上, 它不能吸附到催化剂表面, 从而提高了催化剂的有效面积。

（2）缺点

① 质子导电率严重依赖于膜中含水量,

低湿度时膜的导电率下降明显 ② 温度升高会引起导电率降低,

高温时膜易发生化学降解, 产生毒性 ③ 单体合成困难,

成本高, 废品难处理

④ 价格高

⑤ 用于甲醇燃料电池时易发生甲醇渗漏

2.2 部分氟化质子交换膜

针对全氟磺酸型质子交换膜价格昂贵，工作温度低等缺点，部分氟化质子交换膜诞生了。部分氟化膜一般体现为主链全氟,这样有利于在燃料电池苛刻的氧化环境下保证质子交换膜具有相应的使用寿命。质子交换基团一般是磺酸基团。 该类质子交换膜最突出的代表是Ballad 公司的BAM3G 膜(磺化或者磷化三氟苯乙烯质子交换膜),其结构见图4[3]。

图3 Nafion 系列膜结构 Fig.3 Structure of Membrane of Nafion