质子交换膜是怎么样的？
2022-03-11 00:00
质子交换膜是怎么样的？
近年来，在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池越来越受到关注，这都得益于质子交换膜研究的突破。质子交换膜又称质子传导膜，可以说是质子交换膜燃料电池的心脏。本文重点研究了质子交换膜的发展和现状，并阐述了几种常用质子交换膜的性能特点。我们可以从质子交换膜的几种常见合成方法来分析其工作原理和结构与性能的关系，从而使质子交换膜的研究取得更大的进展。
质子交换膜与一般化学电源中使用的膜在功能性质上有很大不同。在燃料电池中，它不仅起到隔绝燃料和氧化剂直接反应的作用，而且还是一种电解质。质子交换膜很特别。它是一种传导质子但隔离电子的功能高分子膜，具有选择性透过性。PEMFC的发展和应用前景很大程度上取决于这种膜的性能，质子交换膜的重要性不言而喻。燃料电池对质子交换膜有以下要求：
(1)对气体渗透性低，因为燃料电池的阴极一般是空气电极，阳极也可能是H2，质子交换膜需要隔离这两种气体，使其不在电极表面直接反应；
(2)对氢离子的传递率高，可降低电池内阻，降低能耗；具有良好的化学稳定性，这无疑直接关系到电池的寿命和成本；
(3)水分子在膜表面有足够的扩散速度，膜的水化和脱水的可逆性更好，这样局部变形不会导致膜上性能不均匀；
(4)由于质子交换膜还承担着膜和电解质的功能，因此也要求膜具有足够的机械强度和良好的可加工性。
在开发质子交换膜的过程中，综合考虑了以下几个方面：
1)单位面积的厚度和质量
质子交换膜的厚度和单位质量与其电阻直接相关。减小厚度和单位质量可以有效降低燃料电池的电阻值、欧姆损耗，提高输出电压和能量密度。
但如果交换膜的厚度太低，会影响其抗拉强度。
2)拉伸强度
抗拉强度与质子交换膜的厚度成正比，也与内部工作环境有关。因此，在设计质子交换膜时，要综合考虑其电阻值和抗拉强度，进行反复优化设计，找到合适、匹配的厚度值。
3)水分含量
单位干膜质量的含水量称为质子交换膜的含水量。水分含量对质子传导率影响很大，同时也影响交换膜中氧气的溶解和扩散。
含水量越高，质子扩散银和渗透率越大，交换膜的电阻越低，但其强度越低。
4)膨胀度
溶胀度是指交换膜浸泡在给定溶液中后，其面积或体积的百分比变化。
溶胀度反映了交换膜的变形特征。高溶胀度会引起电极变形和交换膜在水合和脱水过程中因膜溶胀而引起的局部应力增加，从而导致燃料电池性能下降。
设计交换膜时，要综合考虑其厚度、电阻、抗拉强度、含水量、溶胀度等。这些因素相互影响，要通过不断的优化迭代，找到一个综合的“折中点”。
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