新能源领域的质子交换膜研究与应用进展

膜 ，０ ７ 年代美 国杜邦公司开发 的全氟磺酸膜 ， 主要 应用于海水和苦咸水淡化 、 海水制盐 、 氯碱工业 的电
解槽等过程． 由于反渗透技术 在大规模海水 淡化过 程比电渗析更具有技术经济优势 ， 和电渗析 过程密 切相 关 的离 子交 换膜 研究 开发 近 ２ ０年来 ， 一直 处 于
动 力源 使 用 ， 者 主要 用 于大 容量 电能 储存 与 管理 ． 后
推进新能源技术开发的政策措施 ， 加大资金 投入力 度． 在新能源技术领域 ， 用于电动汽车 的质子交换膜
燃料 电池 ， 以及 用 于 大 规模 蓄 电储 能 的 液 流 电池 格
利用燃煤 发 电将 化学 能转化 为 电能 过程 ， 有 的 现 热 一电转化方式 ， 首先经过燃烧把 化学能转变为热
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・
２・
膜
科
学
与
技
术
第３ ０卷
学能直接转化为电能 的装置 ， 由于避免 了现有的热 机 发 电过程 的热 功转 换 过 程 ， 根本 上 突破 卡诺 循 从 环的热机效率限制． 通过 电化学反应 过程直接完成
存 在 于化学键 中的键 能 转 变 为 电能 ， 有望 实 现 能 量 高效 利用 ． 由于燃 料 电池科 学 原 理 上 的先 进 性 ， 展 高 效 发
低靡 状 态 ．然 而 ， 由于近 年来 国际 上所 面 临 的 能源 、 资源 、 境之 间 日益 突 出的矛 盾 ， 界 各 国纷纷 出台 环 世
１ 新能源技术对质子交换膜 的性能要求
质 子 交换 膜作 为新 能 源技 术领 域 的关 键材 料 主
要用于燃料 电池 ， 包括氢 ／ 氧燃料 电池 、 直接 甲醇燃 料 电池等 ， 不同种类 的液流电池． 前者主要作为车用
能 ， 加热 水蒸 汽做 功 变 为机 械能 ， 再 最后 通 过蒸 汽 轮 机发 电 ． 此 ， 原 理 上 受 到 热 力 学 卡 诺 循 环 的 限 因 在
外引人注意 ， 这两种 电池装 置中都要利用离 子交换 膜分 隔 同一个 单 电池 中的氧化 反应 半 电池 和还 原 反
收稿 日期 ： ０ ９ １ ９ ２ ０ —１ —０
制， 能量转化与利用效率较低 ． 燃料 电池是一种把化
基金项 目：国家 自然科学基金 （０ ７ ０ ８ ２ ８ ６ ８ ； ９０ ４ ） ２ ６ ６ ６ ；０ ７ ０ ６ Ｕ０ ７ １ ６ ；国家“ ６ ” 目（ ０ ７ ０ Ｚ ４ ） ８３项 ２ ０ ＡＡ ５ ２ ５
作者简介 ： 王保 １ １６ 一） 男 ， 北隆尧人 ， ￣（９５ ， 河 副教授 ， 从事膜科学 与技术 、 电化学储能领域 的研 究 ．ｂｗ ｎ＠ｔｎｈａ （ｇ ａｇ ｓ ｇｕ ｉ
第
术
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ １ １３ ． Ｆｅ ｂ．２ １ ００
２１ ０ ０年 ２月
ＭＥＭ匠ＲＡＮＥ Ｓ Ｅ ＣＩ ＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮｏＬ Ｊ ＧＹ
新 能源领域 的质子 交换膜研 究与应 用进 展
王 保 国
（ 清华大学 化学工程系 ， 北京 １０ ８ ） ００ ４
以往 的离子 交换 膜 很 难 满 足 以 上要 求 ， 们 开 人 展大量研究工作 ， 合成新型质子交换膜来满足上述 特 定要 求 ， 已经取 得 系列研 究成 果 ．
２ 燃料 电池过程 的质子交换膜
利用氢气和氧气作 为燃料 电池原料 ， 生成物为 水， 对于环境不会带来污染 ． 因此 ， 燃料 电池技术吸 引很 多科研 人员 关注 和研 究 ．
摘 要 ：质子 交换 膜作 为 燃料 电池和 液 流 电池 的 关键 材 料 之 一 ， 二 十 年 来 得 到世 界 各 国科 近
学 家的广 泛 关注和 深入研 究 ， 先后研 究开发 出含 氟 高分 子 类 、 氢 聚合 物 类 、 碳 芳香 烃聚合 物 类 ，
以及有机／ 无机杂化材料 的质子交换膜 ． 在总结归纳这一领域的研 究成果基 础上， 结合本课题 组在 液流 电池 领域 的质 子 交换 膜研 究进 展 ， 述质 子 交换膜 技 术在 新 能 源技 术 领域 未 来 若 干 论
早 在 １０多 年前 ， 们 已经 发 现 水溶 液 中 的 阴 ０ 人 离子 、 者 阳离子 通 过 离 子 交 换 膜 时 能 够进 行选 择 或 性分 离 的物 理现 象 ， 且 提 出 荷 电粒 子 通 过 离 子 交 并
应半电池 ． 由于两者都依靠氢离子传导 电荷 ， 连通电 池 内电路 ， 此时的离子交换膜通常被称作质子交换 膜 ． 是 由于发 展燃 料 电池 、 流 电池 等新 能 源技术 正 液 的社会重大需求 ， 进入本世纪以来 ， 原先 的离子交换 膜作为新能源材料 ， 重新引起科学技术界大力关注 ， 并取得显著技术进 步［ ６． ４ Ｊ本文总结归纳这一领域 － 的近年来研究成果 ， 结合本课题组 在液流电池领域 的研究 状况 ， 阐述 质 子 交 换 膜 技术 在 未来 若 干年 的 研 究 开 发 热 点 ， 望 引 起 研 究 同 行 的 借 鉴 与 期 参考 ．
换膜传质 的 Ｄ ｎ ａ 平衡理论 ＿ ２． ｏｎ ｎ １ 此后 ， ＩＪ 由于人们 从海水或者苦咸水中获取淡水 的需要 ， 研究 开发了 电渗析过程和装备 ， 极大促进 离子交换膜的技术进
步 ＿ 陆续 开 发 成 功 不 同 类 型 的 离 子 交 换 膜 材 料 ， ３， ３ ｊ
包括上世纪 ５ ０年代商业 化 的异相 离子交 换膜 ，０ ６ 年代 日 本旭化成公司开发 的一价 、 二价离子选择性
年 的研 究开发 重 大需 求 ， 望 质子 交换 膜材 料设 计 与 可能 的绿 色合 成技 术路 线 ． 展 关键词 ：质子 交换 膜 ；燃料 电池 ；液流 电池 ；新 能 源 ；综述 中图分类号 ： １ ．； Ｍ９１４ 文献标识码 ： 文章编 号 ： （７ ９４２１）１ ０１ ０ ８ Ｔ １． Ａ １０ —８２ （ ００ —００ — ８ ｝ ０