氢燃料电池技术文档燃料电池用质子交换膜的研究

燃料电池用

质子交换膜的研究博士生：才英华导师：衣宝廉院士 张华民研究员SeminarⅡ2025/3/161FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS质子交换膜在PEMFC中的作用2025/3/162FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS质子交换膜特性高的质子传导能力，电导率>0.1S/cm良好的化学与电化学稳定性低的反应气体渗透系数膜表面具有一定的黏弹性一定的机械强度2025/3/163FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS报告内容Nafion系列膜PTFE－Nafion复合膜非氟质子交换膜自增湿膜高温膜2025/3/164FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion系列膜DuPont公司：2025/3/165FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion膜在PEMFC中的应用Phys.Chem.Chem.Phys,2001(3):3175~3179范围性能EW800~1500电导率0.20~0.05S/cm电导2~20S/cm2尺寸稳定性X、Y方向10~30%厚度50~250(µm)已被证明的寿命>5000h2025/3/166FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion膜缺点

价格昂贵，500~800$/m2→300$/m2

机械强度差

尺寸稳定性差

制作过程不够环保2025/3/167FuelCellR&DCenter303,DICP,CASPTFE-Nafion复合膜便宜易得高强度优异的耐热性和化学稳定性对大多数溶剂是惰性的微孔均匀分布高寿命高质子电导率复合膜：

改善Nafion膜的机械强度

尺寸稳定性

膜的厚度减薄

降低成本

改善膜内水传递和分布

利于提高电池性能2025/3/168FuelCellR&DCenter303,DICP,CASPTFE多孔膜PTFE-Nafion复合膜(a)表面；(b)纵切面J.MembraneScience,2003(212):213~2232025/3/169FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS/fuelcells/fuel_cells_presentation_cost_effective.pdfGore-Select™20μm厚的复合膜的脱水收缩仅为Nafion117膜的1/4；干强度与Nafion117膜相近；湿强度明显优于Nafion1172025/3/1610FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS技术关键：降低Nafion树脂在PTFE多孔膜中表面张力和增加Nafion树脂的浸润性，确保树脂浸入到PTFE多孔膜的孔中，形成致密的复合膜2025/3/1611FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS非氟质子交换膜降低膜的成本，促进PEMFC的商业化避免全氟磺酸膜制备过程中对环境产生的影响提高非氟膜的质子电导率，往往是以牺牲膜的热力学性能、气密性甚至增大渗透性为代价，所以电池的寿命均比较短。2025/3/1612FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS非氟质子交换膜降解机理运行228h后膜减薄20μm；阴极收集水是阳极收集水的16倍；阴极排出水中降解物浓度比阳极高近一个数量级。氧在阴极还原时产生H2O2中间物，在微量金属离子作用下产生HO•和HO2•等氧化性自由基，进攻聚合物膜，导致膜降解。聚苯乙烯磺酸膜2025/3/1613FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS如何在PEMFC中利用非氟膜？PSSA，AnodeNafion，Cathode聚苯乙烯磺酸膜2025/3/1614FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS自增湿膜简化系统的结构，提高系统的重量比功率降低膜的厚度，提高质子电导能力Nafion膜体系Nafion-PTFE复合膜体系NafionPt/CPTFENafion2025/3/1615FuelCellR&DCenter303,DICP,CASJ.PowerSources,139(2005),170~175J.PowerSources,124(2003),81~892025/3/1616FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高温膜燃料电池高温操作的优势：降低CO在Pt电催化剂上的吸附效应，提高电池抗CO性能；10ppm@<120℃→zero@>140℃提高阴、阳极的反应速率；简化PEMFC的热管理和水管理；降低膜材料的成本；2025/3/1617FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高温膜材料探索Nafion或SPEEK（磺化聚醚醚酮）复合膜酸浸渍PBI（聚苯并咪唑）膜固体酸膜磷酸或磷酸盐ZrTiCs-SO3H2025/3/1618FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高温膜材料导电特性2025/3/1619FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高温PEMFC研究现状膜的电导率高温膜的稳定性和寿命高温PEMFC的MEA制备2025/3/1620FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS参考文献衣宝廉，燃料电池－原理、技术、应用，化学工业出版社，2003DuX.Z.,YuJ.R.etal.,Phys.Chem.Chem.Phys.,3(2001),3175LiuF.Q.,YiB.L.etal.,J.MembraneScience,212(2003),213/fuelcells/fuel_cells_presentation_cost_effective.pdf,更新时间，2005.3候士法，何耀春等，高分子通报，5（2003)，7于景荣，自增湿质子交换膜燃料电池的研究，[学位论文]，中科院大连化物所，2000刘富强，质子交换膜燃料电池复合膜的研究，[学位论文]，中国科学院大连化物所，2002LiuF.Q.,YiB.L.,etal.,J.PowerSources,124(2003),81YangB.,FuY.Z.,etal.,J.PowerSources,139(2005)170Hogarth