甲烷燃料電池的質(zhì)子交換膜是什么做的

【專家解說】：質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM與一般化學(xué)電源中使用的隔膜有區(qū)別。質(zhì)子交換膜燃料電池已成為汽油內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力最具競(jìng)爭(zhēng)力的潔凈取代動(dòng)力源。用作PEM的材料應(yīng)該滿足以下條件:良好的質(zhì)子電導(dǎo)率、水分子在膜中的電滲透作用小、氣體在膜中的滲透性盡可能小、電化學(xué)穩(wěn)定性好、干濕轉(zhuǎn)換性能好、具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、可加工性好、價(jià)格適當(dāng)。 質(zhì)子交換膜示意圖 現(xiàn)階段分為:全氟磺酸型質(zhì)子交換膜;nafion重鑄膜;非氟聚合物質(zhì)子交換膜;新型復(fù)合質(zhì)子交換膜等等。 目前在氫燃料電池中使用的質(zhì)子交換膜均采用全氟化聚合物材料合成，該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)，但制造成本過高，售價(jià)昂貴。因此，為了獲得穩(wěn)定而廉價(jià)的燃料電池，質(zhì)子交換膜是一個(gè)突破點(diǎn)。目前，科學(xué)家有兩種方法:一是減少質(zhì)子交換膜的用量，朝薄型電解質(zhì)發(fā)展;二是研制新型價(jià)廉的質(zhì)子交換膜。 另外，氫燃料電池的基本問題之一是，這些燃料電池喜歡在高溫低濕的環(huán)境下工作。然而，在這樣的環(huán)境下，很少有物質(zhì)能夠有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。 美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)安默斯特校區(qū)的?？āざ髻愐⑼呤菄?guó)家科學(xué)基金會(huì)下屬的“化學(xué)創(chuàng)新為未來加油”研究中心的負(fù)責(zé)人，他同該校的聚合體科學(xué)家賴安·海沃德、物理學(xué)家馬克·圖沃明恩合作，提出了一種新的質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)理念，能夠滿足這種需要，其研究成果發(fā)表在最新一期的《自然·化學(xué)》雜志上。 恩賽耶曼阿瓦團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，一個(gè)擁有納米大小的通道的物質(zhì)能夠有效地運(yùn)輸電荷，這些通道正如完美的導(dǎo)管，可以將質(zhì)子從質(zhì)子交換膜的一邊移送到另一邊，這一點(diǎn)對(duì)提高燃料電池的效率非常關(guān)鍵。他們的發(fā)現(xiàn)將有助于研究人員設(shè)計(jì)出高效穩(wěn)定、耐用且對(duì)溫度要求不高、價(jià)格低廉的質(zhì)子交換膜。 恩賽耶曼阿瓦表示，這是一個(gè)“相當(dāng)令人興奮的進(jìn)步”。他們主要將質(zhì)子交換膜內(nèi)的導(dǎo)電和非導(dǎo)電區(qū)域通過一個(gè)聚合物納米結(jié)構(gòu)連接在一起，來獲得很好的效果。他進(jìn)一步解釋說，有人可能認(rèn)為，使用兩個(gè)電極之間100%的導(dǎo)電區(qū)域能夠最好地實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電，但情況并非如此，我們認(rèn)為，通過將導(dǎo)電和非導(dǎo)電的兩個(gè)相反的區(qū)域連接在一起，可以更好地改進(jìn)質(zhì)子交換膜導(dǎo)電性能。 該解決方案的靈感來自于自然。恩賽耶曼阿瓦他們發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)某些天然的蛋白質(zhì)在不需要水的情況下，能夠高速地在幾納米的范圍內(nèi)運(yùn)送質(zhì)子群。因此，他們假設(shè)，或許某些形狀或者某些將導(dǎo)電和非導(dǎo)電的納米結(jié)構(gòu)組合在一起形成的嵌段共聚物能夠更好地傳導(dǎo)質(zhì)子。 恩賽耶曼阿瓦表示，這個(gè)非天然的方式的成本收益率也很高，他們已經(jīng)證明，一個(gè)100%導(dǎo)電區(qū)域并不如一個(gè)由導(dǎo)電區(qū)域和非導(dǎo)電區(qū)域混合而成的“雜交”區(qū)域的導(dǎo)電效果好，后者的導(dǎo)電率可能是前者的1000倍，他的研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試用四套不同的聚合物設(shè)計(jì)新的質(zhì)子交換膜