质子交换膜是什么样的？

2022-03-11

质子交换膜是什么样的？

近年来，在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池日益受到关注，这主要得益于质子交换膜研究领域的突破性进展。质子交换膜，又称质子导电膜，堪称质子交换膜燃料电池的心脏。本文聚焦于质子交换膜的发展现状，详细阐述了几种常用质子交换膜的性能特点。同时，我们还将从几种常见的质子交换膜合成方法入手，深入分析其工作原理以及结构与性能之间的关系，以推动质子交换膜研究取得更大进展。

质子交换膜的功能特性与一般化学电源中使用的膜截然不同。在燃料电池中，它不仅起到隔离燃料与氧化剂直接反应的作用，还充当了电解质的角色。质子交换膜可谓独具特色——这是一种既能传导质子、又能阻止电子通过的功能性高分子膜，并具备选择性透气性能。质子交换膜的性能直接决定了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的发展与应用前景，其重要性不言而喻。为此，燃料电池对质子交换膜提出了以下要求：

（1）气体渗透率低，因为燃料电池的阴极通常是空气电极，而阳极也可能是H₂。质子交换膜需要隔离这两种气体，以防止它们在电极表面直接发生反应；

(2) 氢离子的高迁移率可降低电池的内阻，从而减少能耗；同时，它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）水分子在膜表面具有足够的扩散速度，且膜的水合与脱水过程可逆性更好，从而避免局部变形导致膜性能不均。

（4）由于质子交换膜同时承担着隔膜和电解质的功能，因此该膜还需具备足够的机械强度和良好的加工性能。

在开发质子交换膜的过程中，以下方面得到了全面考虑：

1) 厚度与单位面积质量

质子交换膜的厚度和单位质量与其电阻直接相关。通过降低厚度和单位质量，可有效减少燃料电池的电阻值和欧姆损耗，从而提升输出电压和能量密度。

但如果交换膜的厚度太薄，将会影响其抗拉强度。

2) 抗拉强度

拉伸强度与质子交换膜的厚度成正比，同时也取决于其内部的工作环境。因此，在设计质子交换膜时，需综合考虑其电阻值和拉伸强度，并反复优化设计，以找到合适且匹配的厚度值。

3）含水率

单位干膜质量的含水量称为质子交换膜的含水率。水分含量对质子电导率有重要影响，同时也会影响氧气在交换膜中的溶解与扩散。

含水量越高，质子扩散性和导电性越强，交换膜的电阻越低，但其强度却随之下降。

4）扩张

膨胀程度是指交换膜浸入特定溶液后，其面积或体积的百分比变化。

膨胀程度反映了离子交换膜的变形特性。过高的膨胀度会导致电极变形，并因膜在吸水和脱水过程中发生膨胀，使离子交换膜的局部应力增大，从而降低燃料电池的性能。

在设计交换膜时，需全面考虑其厚度、电阻、拉伸强度、含水量、溶胀度等特性。这些因素相互影响，因此需要通过不断优化迭代，找到一个综合的“平衡点”。

质子交换膜是什么样的？

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