什么是动力电池的氟化质子交换膜

1.4.1全氟质子交换膜

全氟磺酸型PEM由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成，具有极高的化学稳定性，目前应用最广泛[10]。其质子传导率在50°C的水中可达100mScm-1以上。全氟磺酸型PEM主要有以下几种类型[11]：美国杜邦公司的Nafion?系列膜;美国陶氏化学公司的XUS-B204膜;日本旭化成的Aciplex膜;日本旭硝子的Flemion膜;日本氯工程公司的C膜;加拿大Ballard公司的BAM型膜,其中最具代表性的是由美国杜邦公司研制的Nafion?系列全氟磺酸质子交换膜。

由于全氟磺酸树脂(PFSA)分子的主链具有聚四氟乙烯结构(如图1.3所示)，分子中的氟原子可以将碳-碳链紧密覆盖，而碳-氟键键长短、键能高、可极化度小，使分子具有优良的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度，从而确保了聚合物膜的长使用寿命;分子支链上的亲水性磺酸基团能够吸附水分子[12,13]，具有优良的离子传导特性[14]。

全氟磺酸膜的优点是：机械强度高，化学稳定性好和在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大，质子传导电阻小。但是全氟磺酸质子交换膜也存在一些缺点，如：温度升高会引起质子传导性变差，高温时膜易发生化学降解;单体合成困难，成本高;价格昂贵;用于甲醇燃料电池时易发生甲醇渗透等。

1.4.2部分氟化质子交换膜

针对全氟磺酸型质子交换膜价格昂贵、工作温度低等缺点，研究人员除了对其进行复合等改性外，还开展了大量新型非全氟膜的研发工作[15]，部分氟化磺酸型质子交换膜便是其中之一，如聚三氟苯乙烯磺酸膜、Ballard公司的BAM3G膜、聚四氟乙烯-六氟丙稀膜等。

部分氟化膜一般体现为主链全氟(结构如图1.4所示)，这样有利于在燃料电池苛刻的氧化环境下保证质子交换膜具有相应的使用寿命[16]。质子交换基团一般是磺酸基团，按引入的方式不同，部分氟化磺酸型质子交换膜：全氟主链聚合，带有磺酸基的单体接枝到主链上;全氟主链聚合后，单体侧链接枝，最后磺化;磺化单体直接聚合。采用部分氟化结构会明显降低薄膜成本。但是此类膜电化学性能都不如Nafion?膜[17]。

1.4.3非氟质子交换膜

近十多年来，大量全芳型非氟碳氢化合物高分子材料被开发出来，其中主要有磺化聚醚酮[18](Sulfonatedpoly(etherketone)，SPEK)、磺化聚苯并咪唑[19](Sulfonatedpolybenzimidazole，SPBI)、磺化聚芳醚砜[20](Sulfonatedpoly(aryleneethersulfone)，SPAES)、磺化聚酰亚胺[21](Sulfonatedpolyimides，SPI)及磺化聚苯[22](Sulfonatedpoly(p-phenylene)，SPP)等。

与全氟磺酸膜相比，非氟磺酸膜具有很多优点[23,24]：

(1)价格便宜得多，很多材料都容易买到;

(2)含极性基团的非氟聚合物亲水能力在很宽温度范围内都很高，吸收的水分聚集在主链上的极性基团周围，膜保水能力较高;

(3)通过适当的分子设计，稳定性能够有较大改善;

(4)废弃非氟聚合物易降解，不会造成环境污染。

因此此类新型材料的开发成为研究的热点。其中芳香族聚合物具有良好的热稳定性和较高的机械强度，磺化产物被研究者们广泛用于质子交换膜。特别是近年来，每年都有大量关于这方面的文献报导[25-27]。