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什么是動力電池的氟化質子交換膜

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年10月06日  

1.4.1全氟質子交換膜

全氟磺酸型PEM由碳氟主鏈和帶有磺酸基團的醚支鏈構成,具有極高的化學穩定性,目前應用最廣泛[10]。其質子傳導率在50°C的水中可達100mScm-1以上。全氟磺酸型PEM主要有以下幾種類型[11]:美國杜邦公司的Nafion?系列膜;美國陶氏化學公司的XUS-B204膜;日本旭化成的Aciplex膜;日本旭硝子的Flemion膜;日本氯工程公司的C膜;加拿大Ballard公司的BAM型膜,其中最具代表性的是由美國杜邦公司研制的Nafion?系列全氟磺酸質子交換膜。

由于全氟磺酸樹脂(PFSA)分子的主鏈具有聚四氟乙烯結構(如圖1.3所示),分子中的氟原子可以將碳-碳鏈緊密覆蓋,而碳-氟鍵鍵長短、鍵能高、可極化度小,使分子具有優良的熱穩定性、化學穩定性和較高的力學強度,從而確保了聚合物膜的長使用壽命;分子支鏈上的親水性磺酸基團能夠吸附水分子[12,13],具有優良的離子傳導特性[14]。

全氟磺酸膜的優點是:機械強度高,化學穩定性好和在濕度大的條件下導電率高;低溫時電流密度大,質子傳導電阻小。但是全氟磺酸質子交換膜也存在一些缺點,如:溫度升高會引起質子傳導性變差,高溫時膜易發生化學降解;單體合成困難,成本高;價格昂貴;用于甲醇燃料電池時易發生甲醇滲透等。

1.4.2部分氟化質子交換膜

針對全氟磺酸型質子交換膜價格昂貴、工作溫度低等缺點,研究人員除了對其進行復合等改性外,還開展了大量新型非全氟膜的研發工作[15],部分氟化磺酸型質子交換膜便是其中之一,如聚三氟苯乙烯磺酸膜、Ballard公司的BAM3G膜、聚四氟乙烯-六氟丙稀膜等。

部分氟化膜一般體現為主鏈全氟(結構如圖1.4所示),這樣有利于在燃料電池苛刻的氧化環境下保證質子交換膜具有相應的使用壽命[16]。質子交換基團一般是磺酸基團,按引入的方式不同,部分氟化磺酸型質子交換膜:全氟主鏈聚合,帶有磺酸基的單體接枝到主鏈上;全氟主鏈聚合后,單體側鏈接枝,最后磺化;磺化單體直接聚合。采用部分氟化結構會明顯降低薄膜成本。但是此類膜電化學性能都不如Nafion?膜[17]。

1.4.3非氟質子交換膜

近十多年來,大量全芳型非氟碳氫化合物高分子材料被開發出來,其中主要有磺化聚醚酮[18](Sulfonatedpoly(etherketone),SPEK)、磺化聚苯并咪唑[19](Sulfonatedpolybenzimidazole,SPBI)、磺化聚芳醚砜[20](Sulfonatedpoly(aryleneethersulfone),SPAES)、磺化聚酰亞胺[21](Sulfonatedpolyimides,SPI)及磺化聚苯[22](Sulfonatedpoly(p-phenylene),SPP)等。

與全氟磺酸膜相比,非氟磺酸膜具有很多優點[23,24]:

(1)價格便宜得多,很多材料都容易買到;

(2)含極性基團的非氟聚合物親水能力在很寬溫度范圍內都很高,吸收的水分聚集在主鏈上的極性基團周圍,膜保水能力較高;

(3)通過適當的分子設計,穩定性能夠有較大改善;

(4)廢棄非氟聚合物易降解,不會造成環境污染。

因此此類新型材料的開發成為研究的熱點。其中芳香族聚合物具有良好的熱穩定性和較高的機械強度,磺化產物被研究者們廣泛用于質子交換膜。特別是近年來,每年都有大量關于這方面的文獻報導[25-27]。

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