燃料电池质子交换膜材料宋润喆 10300220029一、 引言随着对化石燃料的不断开采，化石燃料愈来愈多地面临逐渐枯竭的局面针对能源的短 缺，我们可以采取的措施有，一方面寻找新的替代能源，如太阳能、原子能等等；另一方面 则是提高现有的化石能源的使用效率，延缓化石燃料枯竭的速度由于传统上通过热能为中 介，使化学能转化为电能的效率相对较低，而直接将化学能转化为电能可以通过燃料电池来 实现因此，发展燃料电池技术，对节约当前的资源来说，刻不容缓燃料电池的基本原理即将燃烧反应分解为氧化与还原的半反应，将其连接构成电池燃 料电池在一些领域已经成功商业化推广常见的燃料电池包括乙醇燃料电池、甲醇燃料电池、 氢氧燃料电池等如在北京奥运会和上海世博会期间，氢氧燃料电池都成为主要运输工具的 能量来源然而，燃料电池还有这太多需要改进的地方如燃料电池的催化问题和电解质膜问题 本文将主要针对燃料电池中的电解质膜展开讨论二、 质子交换膜的分类质子交换膜是燃料电池的重要组成部分质子交换膜不仅仅起到将电池的阴阳极分离开 的作用，更重要的是质子交换膜还承担着阴阳极之间离子传递的通道质子交换膜可分为全 氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、复合膜等等。
1. 全氟磺酸膜全氟磺酸膜是目前应用在燃料电池上最广泛的一种质子交换膜正如字面上所显示的， 全氟磺酸膜的最主要化学组成是带有磺酸基团的醚支链和碳氟元素构成的主链组成的高分 子聚合物Dupont公司生产的全氟磺酸膜（如Nafion系列膜）由于性能稳定仍然是目前最 常用的膜［1］除了化学稳定高以外，全氟磺酸膜还有机械强度高、质子传导率高等优势 然而全氟磺酸膜依然有着诸多局限性，如在较高温度或较低湿度条件下，由于膜的含水量变 化，导致质子的传导性变低；在实际使用过程中甲醇、乙醇等燃料可能出现渗透现象，如 Nafion系列膜甲醇的渗透比率高达总量的40wt%，⑵不仅仅造成燃料的浪费，更影响阴极 的进一步反应，严重影响着电池的性能此外，价格昂贵、合成过程不宜进行也是影响全氟 磺酸膜扩大应用范围的另一个重要因素2. 非全氟化质子交换膜非全氟化质子交换膜，就是用取代的氟化物代替纯氟代高分子化合物相比起全氟磺酸 膜，非全氟化质子交换膜往往有着较低的成本和较高的工作效率，但是早期的非全氟化质子 交换膜材料往往没有像全氟磺酸膜一样的化学稳定性和优异的机械性能但是由于非全氟化 质子交换膜种类较多，是更有发展前景的水合磺酸膜。
解决全氟磺酸膜的种种缺陷，最重要 途径即是对全氟磺酸膜进行改性处理和非全氟化质子交换膜的研发如倪红军等用纳米SiO2 对Nafion117进行掺杂改性制膜，得到的60°C硅溶胶处理的Nafion膜的高温保水性能得到 提高，乙醇渗透率大大降低［3］最后，非全氟化质子交换膜的价格优势，也预示着全氟磺 酸膜有朝一日必会走入历史3. 无氟化质子交换膜无氟化质子交换膜，即碳氢聚合物膜，由于排除了氟元素，该种质子交换膜拥有价格便 宜、环境友好等优势，势必成为未来质子交换膜的重要发展方向除去以上两点优势外，结 构多样、保水性能好、机械强度高也是其重要的优势其中芳香族聚合物拥有较好的稳定性 和机械强度，是理想的质子交换膜材料，受到世界的关注磺化芳香聚合物主要有磺化聚芳 醚酮、磺化聚苯、磺化聚苯并咪唑、磺化聚芳醚飒、磺化聚酰亚胺、磺化聚硫醚飒等等磺化聚苯并咪唑（SPBI）是研究较早的碳氢聚合物体系°PBI拥有较好的耐热性能，能 够解决全氟磺化膜高温下交换性能降低的问题，由于缺乏与全氟磺化膜类似的连续离子通 道，燃料渗透问题也相对较少但是由于化学稳定性的相关问题，导致PBI的保水性能会 不断降低，影响膜的寿命。
目前PBI已经得到一定程度的工业化应用磺化聚酰亚胺（SPI）聚酰亚胺（PI）是一种常见的特种塑料，广泛应用于航空航天、 机械等领域磺化聚酰亚胺是近几年中极有可能推广应用到燃料电池中的质子交换膜材料 六元环型SPI可通过下面的合成历程得到囹xn H2N-Y-NH2 + （l-x）nH2N-Y2-NH2(0
众所周知，随着实际需要的日益增加，今天已经工业化生产的材料已经远远不能满足各 种各样的复合需求除去研发新型材料以外，更多人把目光投向由传统材料复合所构成的新 材料上来通过两种或多种材料的不同途径复合，得到的新材料不仅能够综合各种组分之优 点，更有可能性质超过组分性质之和今天在结构材料和一些功能材料应用领域，复合材料 已经愈来愈多地承担起对新型材料的功能需求因此，在燃料电池质子交换膜材料方面，使用复合材料也是优化膜材料的重要途径在膜材料的复合方面，我们可以采用有机材料之间的复合和无机-有机材料复合两种途 径有机材料之间的复合可以采用各种有机材料对Nafion进行修饰，得到希望的性能如 方勇采用PI、PVA、TSPS杂化体系共混的方法制备PI-PVA-TSPS膜，再利用超声浸渍法制 得Nafion-PI-PVA-TSPS膜此种复合膜与Nafion115相比，选择性系数提高1.2倍，稳定性 增强，在电导率只降低3%的情况下醇透过率降低了 55%⑵另外，我们也可以利用无机材料的添加改善高分子质子交换膜的性质一些无机材料耐 高温、不溶于任何溶剂，在质子交换膜中填充无机材料，可以有效改善醇类物质的渗透现象。
三、结语燃料电池是解决当今能源危机的重要方法和最可行途径，而质子交换膜是燃料电池的重 要构成部分质子交换膜材料的改进直接影响着能源问题的解决方法由于传统的质子交换 膜材料全氟磺酸膜的种种缺陷，我们应该改进质子交换膜材料，以及研发新型材料质子交换膜改进的方向，主要应在于以下几点：其一是解决高温下质子交换膜传导性降 低的问题，其二是在保证电导率的基础上解决醇类燃料渗透的问题，其三是降低材料成本， 其四是尽可能保证材料的物理性能和化学稳定性参考文献：［1］ 刘志祥，钱伟，郭建伟等，质子交换膜燃料电池材料［J］，化学进展，2011，23 （2/3）： 488-500.［2］ 王新东，谢晓峰，王萌等，直接甲醇燃料电池关键材料与技术［J］，化学进展，2011， 23（2/3）： 509-519.［3］ 倪红军，吕灿灿，张成进，直接乙醇燃料电池用Nafion/SiO2复合膜的制备及性能 研究［J］，化工新型材料，2010，11.［4］ 范青如，张昊，曾园等，燃料电池用碳氢聚合物质子交换膜材料研究进展J］，化工 新型材料，2011，39（2）： 4-6.。