燃料电池质子交换膜技术发展

燃料电池是将染料化学能直接转变为电能的电化学反应装置，热电联机效率可达95%以上，同时还具有无噪声、绿色环保、可靠性高、易于维护等优势，被认为是当代最具前景的新型发电技术。质子交换膜燃料电池（PEMFC）利用质子导电材料作为电解质，与普通燃料电池相比，其室温下启动速度快，无电解质流失，具有高的比功率与比能量，因而在分散型电站、可移动电源及特种航天等领域获得了广泛的应用。质子交换膜（PEM）作为燃料电池的核心材料，其性能的高低直接影响燃料电池的稳定性和耐久性。

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一、质子交换膜的分类

根据氟含量，可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中，由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯（PTFE）结构，因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度；聚合物膜寿命较长，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性。非氟质子膜要求比较苛刻的工作环境，否则将会很快被降解破坏，无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。这几类质子交换膜的优缺点如表1所示。

表1 各类质子交换膜优缺点比较

全氟质子交换膜最先实现产业化。全氟类质子交换膜包括普通全氟化质子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温复合质子交换膜。普通全氟化质子交换膜的生产主要集中在美国、日本、加拿大和中国，主要品牌包括美国杜邦（Dupont）的Nafion系列膜、陶氏化学公司（Dow）的Dow膜和Xus-B204膜、3M全氟碳酸膜、日本旭化成株式会社Alciplex，日本旭硝子公司Flemion，日本氯工程公司C系列；加拿大Ballard公司BAM系列膜，比利时Solvay公司Solvay系列膜；中国山东东岳集团DF988、DF2801质子交换膜。主要公司与产品如表2所示。

表2 全球质子交换膜企业与产品

20世纪80年代初，加拿大Ballard公司将全氟磺酸质子交换膜用于PEMFC并获得成功以来，全氟磺酸膜成为现代PEMFC唯一商业化的膜材料普通全氟化质子交换膜。增强型全氟化质子交换膜主要包括PTFE/全氟磺酸复合膜和玻璃纤维/全氟磺酸复合膜。高温型复合质子交换膜主要包括杂多酸/全氟磺酸复合膜和无机氧化物/全氟磺酸复合膜。全氟磺酸膜的分类详见表3所示。

表3 全氟磺酸膜的分类