质子交换膜 PPT
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2020届高三化学二轮复习——电化学离子交换膜的分析和应用(共22张PPT)
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2.[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式：_2_H__2O__＋__2_e_－_=_=_=_2_O__H_－_＋__H__2_↑__。 解析 电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
解析 由原电池的工作原理图示可知， 左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO －3e－＋2H2O===NO－ 3＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e－，而1 mol O2 参与反应转移4 mol e－，故需要1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。
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4.一氧化氮—空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、 发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反 应式：_N__O_－__3_e_－_＋__2_H__2_O_=_=_=_N__O_－ 3_＋__4_H__＋__，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准 状况下O2的体积为_3_3_._6_L。
解析 如果撤去阳膜，H2PO－ 2 或 H3PO2 可能会被氧化。
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3 模拟预测
1.(2019·青岛市高三3月教学质量检测)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原 理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正 极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是 A.放电时，Zn2＋向V2O5电极移动
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3.用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下 列叙述不正确的是
A.膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜
2.[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式：_2_H__2O__＋__2_e_－_=_=_=_2_O__H_－_＋__H__2_↑__。 解析 电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
解析 由原电池的工作原理图示可知， 左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO －3e－＋2H2O===NO－ 3＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e－，而1 mol O2 参与反应转移4 mol e－，故需要1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。
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4.一氧化氮—空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、 发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反 应式：_N__O_－__3_e_－_＋__2_H__2_O_=_=_=_N__O_－ 3_＋__4_H__＋__，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准 状况下O2的体积为_3_3_._6_L。
解析 如果撤去阳膜，H2PO－ 2 或 H3PO2 可能会被氧化。
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3 模拟预测
1.(2019·青岛市高三3月教学质量检测)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原 理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正 极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是 A.放电时，Zn2＋向V2O5电极移动
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3.用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下 列叙述不正确的是
A.膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜
PEMFC——燃料电池课件.
由图可知，构成 PEMFC 的关键材料与部件 为电催化剂、电极 ( 阴极与阳极 ) 、质子交换 膜和双极板。
PEMFC 中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应: 阳极反应： H 2 2H 2e 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
2.电池组： 电池组的主体为MEA，双极板及相应 可兼作电流导出 板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作 电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻 的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应 气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆 孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加 一定的组装力。 若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作， 还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘 板。
质子交换膜燃料电池
1 工作原理
质 子 交 换 膜 型 燃 料 电 池 (Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)以全氟磺酸型固体 聚合物为电解质，铂 / 炭或铂 - 钌 / 炭为电催化剂， 氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂， 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为 双极板。 下图为PEMFC的工作原理示意图。
流场结够对 PEMFC 电池组至关重要，而且与反应 气纯度、电池系统的流程密切相关。 因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如 反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有， 回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达 到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。
电池组密封： 要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的 作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧 化剂和冷却液不互窜。
质子交换膜燃料电池PPT课件
05
PEMFC性能评价与测试方 法
PEMFC性能评价指标
输出功率密度
单位面积或单位体积电池的输出 功率，反映电池的能量转换效率
。
开路电压
电池在开路状态下的电压，与电 池内部的电化学反应有关。
电流密度
单位面积电池的输出电流，影响 电池的输出功率和效率。
温度特性
电池在不同温度下的性能表现， 包括启动、运行和关机过程中的 温度变化对电池性能的影响。
笔记本电脑、手机等
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
提高耐久性
改进电池结构和材料，提高电池寿命 和稳定性
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
01
燃料电池概述
01
燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池定义
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆过程，通过向燃 料电池堆输入氢气和氧气（或空气），在催化剂的作用下，经过电化学反应生成水并对外输出电能。
燃料电池工作原理
燃料电池的核心部件是质子交换膜，它只允许质子通过而阻止电子和气体通过。在阳极，氢气在催化剂的作用下 分解成质子和电子，质子通过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外电路传递到阴极，形成电流。在阴极，氧 气与质子和电子结合生成水。
质子交换膜简介演示
改变化学结构
通过改变膜的化学结构，可以提高其稳定性及耐蚀性。例 如，可以在聚合物链中引入疏水基团，使其在水中不易溶 解，从而提高其稳定性。
优化操作条件
通过优化操作条件，可以降低膜受到的应力和化学腐蚀， 从而延长其使用寿命。例如，可以降低操作温度或减小工 作压力。
降低成本的研究
开发新型制备工艺
通过开发新型的制备工艺，可以降低质子交换膜的生产成本。例如，研究人员正在尝试采 用3D打印技术来制备质子交换膜，这种方法可以大幅度降低生产成本。
加强产业联盟
加强国内企业之间的合作，形成产业联盟，推动行业标准的制定 和实施。
拓展应用领域
拓展质子交换膜在能源、环保、化工等领域的应用，提高其市场 占有率。
加强国际合作
加强与国际企业的合作，引进先进技术，推动国内产业的发展。
市场前景展望
能源领域需求持续增长
随着能源领域的发展，质子交换膜作为能源转换和存储的关键材 料，其需求将持续增长。
它能传递质子，在电池或燃料电池中充当隔膜，并起到阻隔气体和传导电流的作 用。
质子交换膜的特点
质子交换膜具有高质子电导率、低气体渗透性、抗水解性能 及化学稳定性等特点。
这些特点使得质子交换膜在电池和燃料电池中具有广泛的应 用前景。
质子交换膜的类型
根据材质和结构的不同，质子交 换膜可分为全氟磺酸膜、部分氟 化聚合物膜和新型非氟化聚合物
移动电源
利用燃料电池的能量转换 机制，质子交换膜可以为 各种移动设备提供电力。
分布式能源
在城市和偏远地区，质子 交换膜燃料电池可以作为 分布式能源，提供稳定、 可靠的电力供应。
传感器领域
气体传感器
质子交换膜可以用作气体传感器，检测和监测环 境中的有害气体和污染物。
通过改变膜的化学结构，可以提高其稳定性及耐蚀性。例 如，可以在聚合物链中引入疏水基团，使其在水中不易溶 解，从而提高其稳定性。
优化操作条件
通过优化操作条件，可以降低膜受到的应力和化学腐蚀， 从而延长其使用寿命。例如，可以降低操作温度或减小工 作压力。
降低成本的研究
开发新型制备工艺
通过开发新型的制备工艺，可以降低质子交换膜的生产成本。例如，研究人员正在尝试采 用3D打印技术来制备质子交换膜，这种方法可以大幅度降低生产成本。
加强产业联盟
加强国内企业之间的合作，形成产业联盟，推动行业标准的制定 和实施。
拓展应用领域
拓展质子交换膜在能源、环保、化工等领域的应用，提高其市场 占有率。
加强国际合作
加强与国际企业的合作，引进先进技术，推动国内产业的发展。
市场前景展望
能源领域需求持续增长
随着能源领域的发展，质子交换膜作为能源转换和存储的关键材 料，其需求将持续增长。
它能传递质子，在电池或燃料电池中充当隔膜，并起到阻隔气体和传导电流的作 用。
质子交换膜的特点
质子交换膜具有高质子电导率、低气体渗透性、抗水解性能 及化学稳定性等特点。
这些特点使得质子交换膜在电池和燃料电池中具有广泛的应 用前景。
质子交换膜的类型
根据材质和结构的不同，质子交 换膜可分为全氟磺酸膜、部分氟 化聚合物膜和新型非氟化聚合物
移动电源
利用燃料电池的能量转换 机制，质子交换膜可以为 各种移动设备提供电力。
分布式能源
在城市和偏远地区，质子 交换膜燃料电池可以作为 分布式能源，提供稳定、 可靠的电力供应。
传感器领域
气体传感器
质子交换膜可以用作气体传感器，检测和监测环 境中的有害气体和污染物。
质子交换膜燃料电池PPT课件
阴极催化剂中毒等。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
质子交换膜PPT课件
2
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
0.91 0.91
1.0 1.0
1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
6
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。 下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
8
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
9
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
3
全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966 年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC 打下了坚实的物质基础。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
0.91 0.91
1.0 1.0
1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
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电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。 下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
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写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
9
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
3
全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966 年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC 打下了坚实的物质基础。
质子交换膜简介介绍
式实现。
膜孔径控制
膜孔径大小影响质子的传输效率 和选择性，因此需要精确控制膜 的孔径。可以通过调整聚合物溶 液的浓度、溶剂种类和挥发速度
等方式实现。
膜强度提升
质子交换膜需要具有一定的强度 和耐久性，以承受工作过程中的 应力作用。可以通过采用高性能 聚合物、添加增塑剂或增强剂等
方式提升膜的强度。
04
随着环保意识的提高和能源需求的增加，质子交换膜技 术将迎来更大的发展机遇，其应用领域将进一步拓展， 性能将得到进一步提升。
挑战应对策略
为应对未来挑战，需要加强基础研究，提高质子交换膜 的性能和稳定性；加强技术研发，降低成本并提高大规 模应用潜力；加强政策支持，推动质子交换膜技术的产 业化进程。
THANKS
05
质子交换膜在其他领域的应用
氯碱工业中的应用
氯碱工业中的质子交换膜
在氯碱工业中，质子交换膜作为核心组件， 用于实现氯碱过程的分离和纯化。通过质子 交换膜，可以有效地将氢离子从阳极室转移 到阴极室，从而实现氯碱产品的生产。
氯碱工业中的质子交换膜 特点
在氯碱工业中使用的质子交换膜需要具有高 选择性、高渗透性和良好的机械性能。此外 ，还需要具备耐腐蚀、耐高温等特性，以确
，成本高。
03
热致相分离法
将聚合物溶液涂布在玻璃板上，通过加热使聚合物发生结晶或相分离，
形成多孔膜。优点是膜孔径大，渗透性好；缺点是膜强度低，易破损。
新型制备技术及其应用前景
静电纺丝法
利用静电场作用将聚合物溶液喷洒成细小纤维，通过控制纤维直径和取向，制备出具有优异性能的质 子交换膜。优点是膜孔径小，渗透性好，强度高；缺点是工艺复杂，成本高。
03
质子交换膜制备方法与技术
膜孔径控制
膜孔径大小影响质子的传输效率 和选择性，因此需要精确控制膜 的孔径。可以通过调整聚合物溶 液的浓度、溶剂种类和挥发速度
等方式实现。
膜强度提升
质子交换膜需要具有一定的强度 和耐久性，以承受工作过程中的 应力作用。可以通过采用高性能 聚合物、添加增塑剂或增强剂等
方式提升膜的强度。
04
随着环保意识的提高和能源需求的增加，质子交换膜技 术将迎来更大的发展机遇，其应用领域将进一步拓展， 性能将得到进一步提升。
挑战应对策略
为应对未来挑战，需要加强基础研究，提高质子交换膜 的性能和稳定性；加强技术研发，降低成本并提高大规 模应用潜力；加强政策支持，推动质子交换膜技术的产 业化进程。
THANKS
05
质子交换膜在其他领域的应用
氯碱工业中的应用
氯碱工业中的质子交换膜
在氯碱工业中，质子交换膜作为核心组件， 用于实现氯碱过程的分离和纯化。通过质子 交换膜，可以有效地将氢离子从阳极室转移 到阴极室，从而实现氯碱产品的生产。
氯碱工业中的质子交换膜 特点
在氯碱工业中使用的质子交换膜需要具有高 选择性、高渗透性和良好的机械性能。此外 ，还需要具备耐腐蚀、耐高温等特性，以确
，成本高。
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热致相分离法
将聚合物溶液涂布在玻璃板上，通过加热使聚合物发生结晶或相分离，
形成多孔膜。优点是膜孔径大，渗透性好；缺点是膜强度低，易破损。
新型制备技术及其应用前景
静电纺丝法
利用静电场作用将聚合物溶液喷洒成细小纤维，通过控制纤维直径和取向，制备出具有优异性能的质 子交换膜。优点是膜孔径小，渗透性好，强度高；缺点是工艺复杂，成本高。
03
质子交换膜制备方法与技术
质子交换膜
下表罗列了几种不同质子膜的膜厚度、交换容量和含水率
公司
型号
Dupont Asahi Glass
Nafion117 Nafion112
Flemion
Asahi chemical Aciplex S1004
Industry
Aciplex S1004H
厚度/μm
50 175 50 120 100 100
交换容量 /(meq/g)
a
9
谢谢观看
a
10
a
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现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电导 率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、强 氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
a
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水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
a
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膜电极三合一(MEA)组件的制备
(1) 进行膜的预处理。预处理目的是清除质子交换膜上的有机和 无机杂质。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢水溶液中于 80℃进行处理，除掉有机杂质，取出后用去离子水洗涤再在稀 硫酸溶液中80℃处理，除去无机金属离子，取出后用去离子水 洗净后，置于去离子水中备用。 (2) 将制备好的多空气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸树 脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6-1.2mg/cm 2 ， 在60-80℃下烘干。 (3) 在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两块 不锈钢平板中间，放入热压机中。 (4) 在130-150℃、压力6-9MPa下热压60-90s，取出，冷却降 温。
质子交换膜
质子交换膜
20140925班
第四组：程金瑜（演讲）费菁（制作）赵君（材料）
新能源：质子交换膜的应用
质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel， PEM)是PEMFC的核心部件。PEMFC质子交换膜燃料 电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取 代动力源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子 的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极 到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外 界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池 的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响 电池的使用寿命。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等 但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。 全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电导 率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、强 氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。 接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。
下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与极三合一(MEA)组件的制备
(1) 进行膜的预处理。预处理目的是清除质子交换膜上的有机 和无机杂质。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢水溶液中于 80℃进行处理，除掉有机杂质，取出后用去离子水洗涤再在稀 硫酸溶液中80℃处理，除去无机金属离子，取出后用去离子水 洗净后，置于去离子水中备用。 (2) 将制备好的多空气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸 树脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6-1.2mg/cm2 ， 在60-80℃下烘干。 (3) 在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两 块不锈钢平板中间，放入热压机中。 (4) 在130-150℃、压力6-9MPa下热压60-90s，取出，冷却降 温。
20140925班
第四组：程金瑜（演讲）费菁（制作）赵君（材料）
新能源：质子交换膜的应用
质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel， PEM)是PEMFC的核心部件。PEMFC质子交换膜燃料 电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取 代动力源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子 的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极 到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外 界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池 的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响 电池的使用寿命。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等 但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。 全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电导 率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、强 氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。 接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。
下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与极三合一(MEA)组件的制备
(1) 进行膜的预处理。预处理目的是清除质子交换膜上的有机 和无机杂质。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢水溶液中于 80℃进行处理，除掉有机杂质，取出后用去离子水洗涤再在稀 硫酸溶液中80℃处理，除去无机金属离子，取出后用去离子水 洗净后，置于去离子水中备用。 (2) 将制备好的多空气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸 树脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6-1.2mg/cm2 ， 在60-80℃下烘干。 (3) 在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两 块不锈钢平板中间，放入热压机中。 (4) 在130-150℃、压力6-9MPa下热压60-90s，取出，冷却降 温。
质子交换膜课件
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2
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
0.91 0.91
1.0 1.0
1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
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电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
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3
全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966 年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC 打下了坚实的物质基础。
制备过程：
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯作原料合成 全氟磺酰氟烯醚单体。该单体再与聚四氟乙烯聚合制备全氟 磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜。
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9
谢谢观看
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10
上述高分子材料化学式
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4
质子膜中水与氢离子传导机理的结构示意图如下：
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5
不同的全氟磺酸型质子交换膜
除了杜邦公司的Nafion膜以外，其他一些公司也开发了类似 的产品，如美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的F、交换容量和含水率
1质子交换膜燃料电池PPT课件
33
膜电极（MEA）的制备
❖ 膜电极的组成： 质子交换膜 电催化剂 气体扩散层
34
膜电极的特性
❖ 最大限度的减小气体的传输阻力，使反应气体顺 利由扩散层到达催化层发生电化学反应，须具备 适当的疏水性。
❖ 形成良好的离子通道，降低离子传输阻力，能在 催化层内建立质子通道。
❖ 形成良好的电子通道。 ❖ 保证良好的机械强度及导热性。 ❖ 具有高的质子传导性能很好隔绝反应气体互窜，
19
金属板
❖ 金属不仅强韧性好，而且机械加工性能、导 电性、导热性、致密性均较好，可以用来制 作很薄的PEMFC双极板。
❖ 但金属板存在腐蚀，腐蚀金属离子对催化剂 产生毒化作用，金属离子还与质子交换膜发 生离子交换，金属板表面腐蚀形成钝化层， 使电极与双极板间的接触电阻增大，降低电 池输出功率。
20
1改性的过酸碱络合形成的高分子质子交换膜全氟型磺酸膜性质作为电解质还充当电极反应的介质铂催化剂在膜中的催化活性高缺水是电导率很低水字处理问题一氧化碳的中毒效应冷却和热的回收利用用非水或低挥发性溶剂溶胀的全氟型磺酸膜含聚四氟乙烯的超薄膜含有吸湿性氧化物的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜非全氟高分子材料的类型非全氟高分子材料的磺化磺酸膜的性质有机无机复合膜有两种方法
化剂在膜中的催化活性高 ❖ 高的机械强度和低的气体透气率 ❖ 价格昂贵 ❖ 缺水是电导率很低
24
使用全氟膜的燃料电池存在的问题
❖ 水字处理问题 ❖ 一氧化碳的中毒效应 ❖ 冷却和热的回收利用
25
全氟型磺酸膜的改性
❖ 用非水或低挥发性溶剂溶胀的全 氟型磺酸膜
❖ 含聚四氟乙烯的超薄膜 ❖ 含有吸湿性氧化物的复合膜 ❖ 含有固体无机质子导体的复合膜
复合板
膜电极（MEA）的制备
❖ 膜电极的组成： 质子交换膜 电催化剂 气体扩散层
34
膜电极的特性
❖ 最大限度的减小气体的传输阻力，使反应气体顺 利由扩散层到达催化层发生电化学反应，须具备 适当的疏水性。
❖ 形成良好的离子通道，降低离子传输阻力，能在 催化层内建立质子通道。
❖ 形成良好的电子通道。 ❖ 保证良好的机械强度及导热性。 ❖ 具有高的质子传导性能很好隔绝反应气体互窜，
19
金属板
❖ 金属不仅强韧性好，而且机械加工性能、导 电性、导热性、致密性均较好，可以用来制 作很薄的PEMFC双极板。
❖ 但金属板存在腐蚀，腐蚀金属离子对催化剂 产生毒化作用，金属离子还与质子交换膜发 生离子交换，金属板表面腐蚀形成钝化层， 使电极与双极板间的接触电阻增大，降低电 池输出功率。
20
1改性的过酸碱络合形成的高分子质子交换膜全氟型磺酸膜性质作为电解质还充当电极反应的介质铂催化剂在膜中的催化活性高缺水是电导率很低水字处理问题一氧化碳的中毒效应冷却和热的回收利用用非水或低挥发性溶剂溶胀的全氟型磺酸膜含聚四氟乙烯的超薄膜含有吸湿性氧化物的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜非全氟高分子材料的类型非全氟高分子材料的磺化磺酸膜的性质有机无机复合膜有两种方法
化剂在膜中的催化活性高 ❖ 高的机械强度和低的气体透气率 ❖ 价格昂贵 ❖ 缺水是电导率很低
24
使用全氟膜的燃料电池存在的问题
❖ 水字处理问题 ❖ 一氧化碳的中毒效应 ❖ 冷却和热的回收利用
25
全氟型磺酸膜的改性
❖ 用非水或低挥发性溶剂溶胀的全 氟型磺酸膜
❖ 含聚四氟乙烯的超薄膜 ❖ 含有吸湿性氧化物的复合膜 ❖ 含有固体无机质子导体的复合膜
复合板
燃料电池质子交换膜燃料电池详解PPT课件
共健康成就之一
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
.
13
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。
特点：
电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双 电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
60-90oC
HCOOH
CO2
cathode 氧化剂
空气/O2
O2
O2
O2
O2
未反应 氧化剂
.
11
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
n 制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备
全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
.
32
不同催化层电极性能比较
薄层 厚层
厚层 薄层
E1:厚层憎水电极，厚40µm， 0.3mgPt/cm2 E3:薄层亲水电极，厚＜5µm， 0.02mgPt/cm2
厚层憎水与薄层亲水电极
以纯氢及53ppm CO/H2时的电池性能
.
33
2.4 双层催化层电极设计
Ø多孔介质中的传质速度：H2 ＞ CO， ØPt-Ru/C 电 催 化 剂 上 的 吸 附 ： CO ＞ H2
进一步提高了的PEMFC性能； ➢ Pt担量降低。目前商用MEA Pt担量为
0.4mg/cm2左右，实验室制备MEA Pt担量已经 降低到0.1mg/cm2以下; ➢ 厚度减薄，实验室制备＜1μm。
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
.
13
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。
特点：
电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双 电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
60-90oC
HCOOH
CO2
cathode 氧化剂
空气/O2
O2
O2
O2
O2
未反应 氧化剂
.
11
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
n 制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备
全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
.
32
不同催化层电极性能比较
薄层 厚层
厚层 薄层
E1:厚层憎水电极，厚40µm， 0.3mgPt/cm2 E3:薄层亲水电极，厚＜5µm， 0.02mgPt/cm2
厚层憎水与薄层亲水电极
以纯氢及53ppm CO/H2时的电池性能
.
33
2.4 双层催化层电极设计
Ø多孔介质中的传质速度：H2 ＞ CO， ØPt-Ru/C 电 催 化 剂 上 的 吸 附 ： CO ＞ H2
进一步提高了的PEMFC性能； ➢ Pt担量降低。目前商用MEA Pt担量为
0.4mg/cm2左右，实验室制备MEA Pt担量已经 降低到0.1mg/cm2以下; ➢ 厚度减薄，实验室制备＜1μm。
质子交换膜燃料电池 ppt课件
100~200 重整气
空气 建分散电站运行可靠度高， 高度发展，适用于特殊需求、区域性 但启动时间长，成本高，余 分散电站。 热利用价值低。
熔融碳酸盐 燃料电池 (MCFC)
固体氧化物 燃料电池 (SOFC)
600~700
净化煤 气 重整气 天然气
800~100 净化煤
0
气
天然气
空气 具有建立分散电站的优势， 适宜建区域性分散电站，正在进行现
❖燃料电池是由含催化剂的阳极、阴 极和离子导电的电解质构成。燃料 在阳极氧化，氧化剂在阴极复原， 电子从阳极经过负载流向阴极构成 电回路，产生电能而驱动负载任务。
燃料电池的优点
❖ 燃料电池与常规电池不同在于，它任务时需 求延续不断地向电池内输入燃料和氧化剂经 过电化学反响生成水，并释放出电能；只需 坚持燃料供应，电池就会不断任务提供电能。 燃料电池有它独特的优势，污染少，高效节 能，可靠性好，比能量和比功率高等，这些 优势让它成为继火力发电、水力发电和核能 发电技术之后的第四代化学能发电技术，将 会有宽广的开展和运用前景。
❖ ①合金催化剂
❖ ②金属氧化物催化剂
❖ ③有机螯合物催化剂
那么目前，燃料电池电催化剂的 选择与设计经过那些途径来实现
呢？
第一个途径
❖ 基于活化方式的思索.与普通多相催化一样反响物分 子在电催化剂外表进展有效的化学吸附是电催化过 程分子活化的前提。化学吸附分为缔合吸附和解离 吸附两种类型，如H2，分子在金属催化剂外表处于 一定温度F可以解离吸附，解离后的原子氢可在金 属外表有挪动自在度。研讨阐明，在阳极外表有效 范围，特别是在高比外表积的Pt电催化剂上，许多 有机物分于可以产生解离吸附，生成一个或数个吸 附氢原子，是反响物分子活化的卞要途径。
车用质子交换膜燃料电池快速入门.ppt
铂微粒固定在相对较大的炭粉 粒子上,催化剂一般为铂，目 前，用量为0.2mg/cm2,
8
4 .双极板 实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板， 同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴 极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送到阳极，和 把氧或空气送到阴极的作用
9
5. 质子交换膜燃料电池的水管理问题 质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能 保证有良好的离子传导性，但水也不能太多，否 则它会涌入并堵塞电极或气体扩散层中的孔通道 燃料电池里的水来自：一是氢氧反应产生的水，另一 是对反应气体加湿将水带进来，下图为几种加湿方法
15
环境压力燃料电池的基本结构
* 阳极直接加水， 电解膜充分含水
* 对阴极供应大流 量干空气流
* 用空气流直接蒸 发阴极侧的水来 冷却燃料电池
* 系统效率高
16
环境压力燃料电池电压－－电流曲线
17
两种燃料电池系统的比较
18
8. 燃料电池发动机 燃料电池发动机，是指包括：燃料电池系统、 行走电机、电机控制器和传统内燃发动机所带 的附件等合在一起的系统或装置
10
6. 加压燃料电池系统 传统燃料电池系统通过提高压力的方法来增加它的功率密度， 此时系统中要有一个压缩机 空气中氮含量约占80%，在对空气进行压缩时，大部分压缩功率， 被用来压缩不起作用的氮上，氧利用率（OUR）取得越大，压缩 机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率减小，效率降低
11
用于氢再循环的射流泵结构
12
加压燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩 －膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆 式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空 气中的能量。图为压缩膨胀器一例。
13
8
4 .双极板 实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板， 同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴 极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送到阳极，和 把氧或空气送到阴极的作用
9
5. 质子交换膜燃料电池的水管理问题 质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能 保证有良好的离子传导性，但水也不能太多，否 则它会涌入并堵塞电极或气体扩散层中的孔通道 燃料电池里的水来自：一是氢氧反应产生的水，另一 是对反应气体加湿将水带进来，下图为几种加湿方法
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环境压力燃料电池的基本结构
* 阳极直接加水， 电解膜充分含水
* 对阴极供应大流 量干空气流
* 用空气流直接蒸 发阴极侧的水来 冷却燃料电池
* 系统效率高
16
环境压力燃料电池电压－－电流曲线
17
两种燃料电池系统的比较
18
8. 燃料电池发动机 燃料电池发动机，是指包括：燃料电池系统、 行走电机、电机控制器和传统内燃发动机所带 的附件等合在一起的系统或装置
10
6. 加压燃料电池系统 传统燃料电池系统通过提高压力的方法来增加它的功率密度， 此时系统中要有一个压缩机 空气中氮含量约占80%，在对空气进行压缩时，大部分压缩功率， 被用来压缩不起作用的氮上，氧利用率（OUR）取得越大，压缩 机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率减小，效率降低
11
用于氢再循环的射流泵结构
12
加压燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩 －膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆 式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空 气中的能量。图为压缩膨胀器一例。
13
新型质子交换膜.PPT课件
燃料电池用膜的革新方向 ---碱性膜
碱性膜虽然不是质子交换膜，但却是聚合物燃料电池 的重要品种，由碱性膜制成的燃料电池完全不需要贵金属 铂作催化剂，从根本上解决了铂资源匮乏的矛盾。碱性膜 的机理、配方、制备工艺、与其他原材料的配伍等仍然需 要加大投入去研究与开发。
2021/6/7
3
Alkaline Polymer Electrolytes (APEFC)[2]
8
热控制
• 低温(80℃)下，PEMFC效率保持在40-50%时会产生巨大 的热量，必须散热以保持系统的工作温度，可以通过水蒸 气的形式散热，可用于直接加热或加压过程。
• 而在高温下，可直接利用该热量，使电池能够获得更高的 效率，同时减小散热器的面积。
• 直接氢：100-200℃的温度范围是氢从高容量的H2储存罐 中解吸附的必要条件。
2021/6/7
9
水控制-湿度
• 低温下，高湿度是增压的必要条件，但不具有对 由燃料产生的杂质的耐受性。而低湿度下的膜不 需要增压，可以有效抵抗杂质的损害。
2021/6/7
10
其它
• 增加扩散速率：接触面扩散速率随着温度 的升高而增大。高温下水汽的蒸发能够增 大暴露的表面积，从而允许更多的反应物 扩散到反应界面。
chal2le0n2g1/e6s/7, and recent progress[J].Science China-Chemistry,2010,53(2): 357-364.
4
燃料电池用膜的革新方向 ---高温质子交换膜
高温质子交换膜工作温度可以在150℃ 以上，大大降 低了对氢气纯度的要求，也有利于贵金属铂的减量化。同 时，较高的工作温度，也增大了燃料电池和环境之间的温 差。这有利于氢燃料电池汽车散热系高温聚合物膜和陶瓷质子交换膜是高温膜的重要方向。
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1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。
下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
感谢您的聆听！
质子交换膜
新能源：质子交换膜的应用
质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel， PEM)是PEMFC的核心部件。PEMFC质子交换 膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的 洁净取代动力源。在燃料电池内部，质子交换膜 为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜 从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路， 向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料 电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接 影响电池的使用寿命。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966 年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC 打下了坚实的物质基础。
制备过程：
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯作原料合成 全氟磺酰氟烯醚单体。该单体再与聚四氟乙烯聚合制备全氟 磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜。
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
膜电极三合一(MEA)组件的制备
(1) 进行膜的预处理。预处理目的是清除质子交换膜上的有机和 无机杂质。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢水溶液中于 80℃进行处理，除掉有机杂质，取出后用去离子水洗涤再在稀 硫酸溶液中80℃处理，除去无机金属离子，取出后用去离子水 洗净后，置于去离子水中备用。 (2) 将制备好的多空气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸树 脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6-1.2mg/cm 2 ， 在60-80℃下烘干。 (3) 在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两块 不锈钢平板中间，放入热压机中。 (4) 在130-150℃、压力6-9MPa下热压60-90s，取出，冷却降 温。
公司
型号
Dupont Asahi Glass
Nafion117 Nafion112
Flemion
Asahi chemical Aciplex S1004
Industry
Aciplex S1004H
厚度/μm
50 175 50 120 100 100
交换容量 /(meq/g)
0.91 0.子传导机理的结构示意图如下：
不同的全氟磺酸型质子交换膜
除了杜邦公司的Nafion膜以外，其他一些公司也开发了类似 的产品，如美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical 公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。
下表罗列了几种不同质子膜的膜厚度、交换容量和含水率
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。
下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
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质子交换膜
新能源：质子交换膜的应用
质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel， PEM)是PEMFC的核心部件。PEMFC质子交换 膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的 洁净取代动力源。在燃料电池内部，质子交换膜 为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜 从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路， 向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料 电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接 影响电池的使用寿命。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966 年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC 打下了坚实的物质基础。
制备过程：
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯作原料合成 全氟磺酰氟烯醚单体。该单体再与聚四氟乙烯聚合制备全氟 磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜。
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
膜电极三合一(MEA)组件的制备
(1) 进行膜的预处理。预处理目的是清除质子交换膜上的有机和 无机杂质。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢水溶液中于 80℃进行处理，除掉有机杂质，取出后用去离子水洗涤再在稀 硫酸溶液中80℃处理，除去无机金属离子，取出后用去离子水 洗净后，置于去离子水中备用。 (2) 将制备好的多空气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸树 脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6-1.2mg/cm 2 ， 在60-80℃下烘干。 (3) 在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两块 不锈钢平板中间，放入热压机中。 (4) 在130-150℃、压力6-9MPa下热压60-90s，取出，冷却降 温。
公司
型号
Dupont Asahi Glass
Nafion117 Nafion112
Flemion
Asahi chemical Aciplex S1004
Industry
Aciplex S1004H
厚度/μm
50 175 50 120 100 100
交换容量 /(meq/g)
0.91 0.子传导机理的结构示意图如下：
不同的全氟磺酸型质子交换膜
除了杜邦公司的Nafion膜以外，其他一些公司也开发了类似 的产品，如美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical 公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。
下表罗列了几种不同质子膜的膜厚度、交换容量和含水率