質(zhì)子交換膜的用途

【專家解說(shuō)】：答:主要用來(lái)制造燃料電池 質(zhì)子交換膜膜材料改進(jìn)及應(yīng)用 質(zhì)子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)電動(dòng)汽車、固定發(fā)電站等首選能源燃料電池內(nèi)部質(zhì)子交換膜質(zhì)子遷移和輸送提供通道使得質(zhì)子經(jīng)過(guò)膜從陽(yáng)極達(dá)陰極與外電路電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路向外界提供電流因此質(zhì)子交換膜性能對(duì)燃料電池性能起著非常重要作用好壞直接影響電池使用壽命 迄今常用質(zhì)子交換膜(PEMFC)仍美國(guó)杜邦公司Nafion®膜具有質(zhì)子電導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性好優(yōu)點(diǎn)目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜國(guó)內(nèi)裝配PEMFC所用PEM主要依靠進(jìn)口Nafion®類膜仍存下述缺點(diǎn):(1)制作困難、成本高全氟物質(zhì)合成和磺化都非常困難而且成膜過(guò)程水解、磺化容易使聚合物變性、降解使得成膜困難導(dǎo)致成本較高;(2)對(duì)溫度和含水量要求高Nafion®系列膜佳工作溫度70~90℃超過(guò)此溫度會(huì)使其含水量急劇降低導(dǎo)電性迅速下降阻礙了通過(guò)適當(dāng)提高工作溫度來(lái)提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑毒難題;(3)某些碳?xì)浠衔锛状嫉葷B透率較高適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)質(zhì)子交換膜 因此了提高質(zhì)子交換膜性能對(duì)質(zhì)子交換膜改進(jìn)研究正斷進(jìn)行著從近兩年文獻(xiàn)報(bào)道看改進(jìn)方法采用下幾種方法: (1)有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜依靠納米顆粒尺寸小和比表面積大特點(diǎn)提高復(fù)合膜保水能力從而達(dá)擴(kuò)大質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度范圍目; (2)對(duì)質(zhì)子交換膜骨架材料進(jìn)行改進(jìn)針對(duì)目前常用Nafion®膜缺點(diǎn)或Nafion®膜基礎(chǔ)上改進(jìn)或另選用新型骨架材料; (3)對(duì)膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整特別增加其微孔使成膜方便并解決催化劑毒問(wèn)題 另外除了3種改進(jìn)現(xiàn)有許多研究都或多或少采用了納米技術(shù)使材料更小性能更佳 下對(duì)采用三種方法文獻(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹 (1)有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜 2003年12月4日公開Columbian化學(xué)公司世界專利WO2003100884揭示了種磺酸導(dǎo)體聚合物接枝碳材料其制作工藝含雜原子導(dǎo)體聚合物單體碳材料氧化聚合并磺化接枝該方法也進(jìn)步金屬化聚合物接枝碳材料含碳材料碳黑、石墨、納米碳或fullerenes等聚合物聚苯胺、聚吡咯等其質(zhì)子電導(dǎo)率8.9×10-2S/cm(采用Nafion-磺酸聚苯胺測(cè)試) 國(guó)內(nèi)較多專利均采用類似方法2003年6月公開清華大學(xué)國(guó)專利CN1476113膜基體含磺酸側(cè)基芳雜環(huán)聚合物加溶劑形成均勻混合物加入無(wú)機(jī)物形成懸浮物通過(guò)納米破碎技術(shù)對(duì)該懸浮物進(jìn)行破碎得分散均勻漿料用澆注法制膜其形成膜結(jié)構(gòu)均勻、相當(dāng)致密能良好地抗甲醇滲透還具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和質(zhì)子傳導(dǎo)性甲醇滲透率小于5% (2)對(duì)膜骨架聚合物材料進(jìn)行改進(jìn) 《Journal of Membrane Science》雜志2005年刊登了香港大學(xué)發(fā)表論文其采用原位酸催化聚合法Nafion和聚糠醇共聚由該材料制備質(zhì)子交換膜明顯改善了還原甲醇流量其質(zhì)子電導(dǎo)率0.0848S/cm 2004年公開山大學(xué)國(guó)專利CN1585153介紹了種直接醇類燃料電池改性質(zhì)子交換膜制備方法所述制備方法市售磺化樹脂原料并加入無(wú)機(jī)納米材料通過(guò)流延法、壓延法、涂漿法或浸膠法等成膜方法來(lái)制備質(zhì)子交換膜 (3)對(duì)膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整 《Elctrochimica Acta》雜志2004年刊登了韓國(guó)Gwangju科技學(xué)院論文其采用了選擇改進(jìn)型聚合物質(zhì)子交換膜其選用了磺化聚苯乙烯-b-聚(乙烯-γ-丁烯)-b-聚苯乙烯共聚物(SSEBS)微觀形態(tài)下觀察呈現(xiàn)出納米結(jié)構(gòu)離子通道種質(zhì)子交換膜電抗性比普通質(zhì)子交換膜更優(yōu)異 2001年公開由華科技大學(xué)申請(qǐng)國(guó)發(fā)明專利CN1411085其塊厚度h≤1mm陶瓷薄膜構(gòu)上有序分布有若干微孔其孔徑n≤2mm微孔遍布整陶瓷薄膜所述陶瓷薄膜微孔內(nèi)填充有高電導(dǎo)率電解質(zhì)孔徑n好納米數(shù)量級(jí)該質(zhì)子交換膜制備方法:首先厚度h≤1mm金屬薄膜上制備有序微孔;再用電化學(xué)方法或其方式氧化成陶瓷薄膜;陶瓷薄膜微孔填充高電導(dǎo)率電解質(zhì)種方法成膜容易制造成本低特點(diǎn)并且通過(guò)提高質(zhì)子交換膜工作溫度解決催化劑毒問(wèn)題 此外近期國(guó)外報(bào)道些質(zhì)子交換膜制造方法還有: WO200545976Renault公司于2005年5月19日申請(qǐng)有關(guān)離子導(dǎo)體復(fù)合質(zhì)子交換膜專利其揭示了種離子導(dǎo)體復(fù)合膜制造方法包括a)組合電子和離子性非導(dǎo)體聚合物或溶液或熔融狀態(tài)下低熔點(diǎn)鹽與至少兩種聚合物混合;b)與硅土水解類有機(jī)前驅(qū)體結(jié)合;c)與相適合雜多酸有機(jī)溶液混合鑄造成膜特別成薄膜狀厚度5~500微米具有平滑表面離子導(dǎo)體孔道納米級(jí)其聚合物選擇聚砜類和聚酰亞胺樹脂終質(zhì)子電導(dǎo)率433k100%RH條件下測(cè)試達(dá)(1.1~3.8)×10-2S/cm 2005年3月10日公開SABANCI大學(xué)世界專利WO200521845使用了種金屬涂層納米纖維此外還涉及電子紡紗納米纖維金屬涂層工藝 表1和表2分別列出了上新方法所采用材料、質(zhì)子電導(dǎo)率及終燃料電池性能 目前對(duì)新方法研究還未成熟有些缺點(diǎn)還有待進(jìn)步完善例:添加無(wú)機(jī)物復(fù)合膜會(huì)變脆且硬成膜性變差所復(fù)合膜有機(jī)物與無(wú)機(jī)物之間適當(dāng)比列變得尤其重要也今研究方向之此外加入納米粒子膜綜合性能納米粒子分散性能、控制反應(yīng)能量方面研究也值得進(jìn)步關(guān)注