质子交换膜

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
公司 Dupont Asahi Glass Asahi chemical Industry 型号 Nafion117 Nafion112 Flemion Aciplex S1004 Aciplex S1004H 厚度/μm 50 175 50 120 100 100 交换容量 /(meq/g) 0.91 0.91 1.0 1.0 1.0 1.0 含水率/% —— 33 —— —— 38 87
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/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。
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。 上述高分子材料化学式
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质子膜中水与氢离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
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。
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Байду номын сангаас
下图为膜的水含量与温度的关系：