质子交换膜 - 质子交换膜是PEMFC 的固体电解质 - 杭州驰飞

质子交换膜

质子交换膜是PEMFC 的固体电解质。车用PEMFC对质子交换膜有很严格的要求,必须具有良好的质子传导率、良好的热和化学稳定性、低气体渗透率、适度含水率、高机械强度和结构强度等,对氢氧化反应、氧还原反应和水解具有稳定性,同时膜表面对电催化剂有强附着力,使用寿命长。

质子交换膜

美国能源部(DOE) 2013公布了交通领域车用PEMFC质子交换膜2020年性能目标值,具体为:氢氧最大渗透率2mA/cm2 (0.1MPa,80℃、氢或氧完全润湿);质子导阻0.02Ω/cm2 (80℃,水分压25~40kPa)、0.03Ω/cm2 (30℃, 水分压4kPa)、0.2Ω/cm2 (-20℃);最高允许工作温度120℃;最小面电阻1000Ω/cm2;耐久性,机械强度20000圈(循环至氢渗透率不大于15mA/cm2)、化学强度不低于500h (ORR循环至氧渗透率15mA/cm2)、机械-化学强度20000 (ORR 循环至氧渗透率15mA/cm2)。目前市场上最优的质子交换膜某些性能已经达到或超过DOE 的2020 年目标,如机械耐久性达到了23000次。

质子交换膜的厚度、质子交换容量、抗拉强度、含水率和膜的溶胀度等物理性质和质子导阻、面电阻等电化学性质都对车用燃料电池的性能产生很大的影响。膜越薄,单位面积质量越低,膜的导阻越小,欧姆极化效应低,制造的燃料电池体积功率密度越大。但膜过于薄,机械强度下降,气体渗透率提高,寿命缩短,安全性下降。膜的含水率影响质子传递能力,也影响氧在膜中的溶解扩散。含水率高,质子传导率提高,但氧的渗透作用加强,膜的强度下降。另外,反映膜变形程度的膜溶胀度与膜的水含量也有关,溶胀度不合适,在吸水和脱水时膜会因溶胀和收缩而过度变形而损坏,造成电池损坏。

氢燃料电池由于使用了这种固态电解质才开始拥有更广阔的应用前景。质子交换膜技术的不断进步使得PEMFC性能不断提高。1960年代,美国通用电气公司(GE) 开发的聚苯乙烯磺酸型质子交换膜[,曾经用到了美国国家航空和宇航局(NASA) 宇宙飞船上的燃料电池中,但其稳定性差,没能够推广应用。后来,通用公司便与杜邦公司(DuPont) 合作,依托杜邦拥有Nafion树脂专利技术,开发出了全氟磺酸型质子交换膜,1980年代初被加拿大Ballard公司成功应用到PEMFC中,使得PEMFC性能大大改善,一直到今天,仍然是质子交换膜材料市场的主流产品。全氟磺酸质子交换膜优势明显,不仅质子传导性能强,而且能够经受住燃料电池工作工作产生的高酸和强氧化性环境的侵害,长久保持良好的结构强度和优异的化学稳定性,具有足够长的使用寿命。

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