質子交換膜是一種帶有陽離子交換基團(磺酸基團,羧酸基團,磷酸基團等)的聚合物電解質薄層。陽離子交換基團通過化學鍵固定在聚合物上從而形成一個整體。這種固定的連接方式避免了小分子電解質的流失。質子交換膜按照含氟量分為全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、復合膜等。目前全氟質子交換膜是主流的技術,產業化程度較高,主要應用在下游燃料電池、上游電解水制氫、儲能電池等領域。
PEMFC的全稱是質子交換膜燃料電池,其中質子交換膜是PEMFC的電解質,起到傳導氫離子、隔絕燃料和氧化劑、阻斷電子的作用,是PEMFC中最核心的組分。PEMFC相較于其他燃料電池,具有更高的功率密度,就是因為質子膜優異的性能所帶來的結果。
全氟磺酸膜
全氟磺酸膜由碳氟主鏈和帶有磺酸基團的醚支鏈構成。
特性:機械強度高,化學穩定性好和在濕度大的條件下導電率高;低溫時電流密度大,質子傳導電阻小。
優點:機械強度高,化學穩定性好,導電率較高,低溫時電流密度大,質子傳導電阻小
缺點:溫度升高使質子傳導性能變差,高溫易發生化學降解,成本高
非全氟化質子交換膜
用取代的氯化物代替氟樹脂,或用氟化物與無機或其他非氟化物共混制成。
特性:具有非常低的磺酸基含量、高的工作效率。
優點:成本低,工作效率較高。
缺點:機械強度及化學穩定性較差
無氟化質子交換膜
由無氟化烴類聚合物膜組成。
優點:成本低,環節污染小
缺點:化學穩定性較弱
復合膜
修飾材料·和全氟磺酸樹脂構成的復合膜.
優點:機械性能改善,改善膜內水傳動與分布,降低質子交換膜內阻
缺點:制備技術要求較高
質子交換膜的應用
質子交換膜的主要應用之一是質子交換膜燃料電池。這些燃料電池具有廣泛的商業和軍事應用,包括航空航天、汽車和能源行業。早期的質子交換膜燃料電池應用主要集中在航空航天工業。與電池相比,當時更高容量的燃料電池使其成為理想的選擇。
PEM燃料電池在汽車應用中很受歡迎,因為它們的工作溫度相對較低,并且即使在低于冰點的條件下也能快速啟動。
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