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《中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集》2008年
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自增湿质子交换膜的研究进展

李雷  谢晓峰  尚玉明  蒋金芝  冯少广  
【摘要】:燃料电池由于具有能量转化率高、环境友好、安静、可靠性高的特点,被认为是21世纪的一种首选的洁净、高效的发电技术,在过去二十年受到广泛的关注。质子交换膜燃料电池以固体聚合物作为质子交换膜。质子交换膜主要起着阳极和阴极的电子隔离和反应气的隔离作用,并且实现电解质的质子传导功能。目前,大部分质子交换膜燃料电池都采用的是全氟磺酸树脂膜,如Nafion、Dow膜等。该类膜具有较好的质子导电性、机械强度、化学和热稳定性。但由于它存在成本高、高温质子传导性差以及甲醇渗透性较高等缺点,在一定程度上限制了它的应用。传统意义上,为了防止膜脱水同时保证它的最佳质子传导状态,反应气体在进入燃料电池之前都需要有一个外增湿的过程。但是外增势系统的引入增加了电池系统的复杂性和总体费用,为了简化电池系统,降低耗费,研究者们提出了自增湿型质子交换膜的概念。自增湿质子交换膜大抵是利用催化剂催化膜内互串气体成水来简化系统的水管理问题。自增湿膜发展到今天,已有很多类型,根据他们是否采用PTFE微孔膜增强,我们将其分为两类,一类是非PTFE微孔膜增强自增湿型质子交换膜,另一类是PTFE微孔膜增强自增湿型复合膜。本文简要介绍了自增湿质子交换膜的研究进展,比如Wtanabe、Lee和Kwak等得非PTFE微孔膜增强自增湿型复合膜,非PTFE微孔膜增强自增湿型复合膜对解决膜内水管理和提高膜质子传导性有积极意义,但也存在机械性能较差,以及容易形成电子通道等问题。由于PTFE微孔膜具有很好的化学稳定性和机械强度,可用来作为复合增强材料,文章介绍了Zhang、Zhu,、Li、Huang和Mu等的PTFE微孔膜增强自增湿型复合膜,PTFE微孔膜增强自增湿型复合膜可以避免由于催化层与一般质子交换膜材料溶胀性的差异而造成的催化层与膜剥离。同时也可以通过改变基底膜的孔隙率和孔径来调节质子电导率和气体或甲醇渗透率。另外由于基底的稳定性和质子交换膜是填充在基底膜的微孔中,因此能用的质子交换膜材料范围还在扩大,使得一些成膜时发脆,强度差的质子交换膜材料都有了使用的可能性,文章对其进行了综合比较。自增湿质子交换膜大体上是催化膜内互串气体成水来简化了系统的水管理问题,具有很强的现实意义。目前研究者已经提出了多种形式的自增湿方式,解决了一些问题,但是也存在不足。开发新型自增湿膜仍是重要的研究课题和发展方向。

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