氫燃料電池膜的要求與進(jìn)化過程
分類：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時間：2022-03-29
【概要描述】氫燃料電池的發(fā)明最早可追溯到1932年，英國工程師弗朗西斯首次發(fā)明氫氧燃料電池。而如今隨著對環(huán)境和資源需求的不斷提升下
氫燃料電池的發(fā)明最早可追溯到1932年，英國工程師弗朗西斯首次發(fā)明氫氧燃料電池。而如今隨著對環(huán)境和資源需求的不斷提升下，氫燃料電池技術(shù)也實現(xiàn)了不斷發(fā)展，氫燃料電池成功實現(xiàn)了其商業(yè)應(yīng)用，并成為世界新能源變革的焦點。目前，受到廣泛關(guān)注的陽離子交換膜燃料電池（PEMFC）和陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的組件通常包括雙極板、電極、催化劑、膜以及其它硬件，其中離子交換膜是非常重要的部分，主要起到選擇透過性離子，分隔陰陽極，從而避免電池短路的作用。
氫燃料電池中的離子交換膜放置在含有催化劑的電極之間，再夾以兩層作為集流體的多孔氣體擴散層，構(gòu)成燃料電池的核心組件膜電極（MEA），再通過膜電極與雙極板堆垛構(gòu)成燃料電池堆，通常在80℃左右的較低溫度下工作，因此離子交換膜的性質(zhì)與要求很大程度上決定了膜電極以及燃料電池堆的性能。
氫燃料電池膜的基本要求包括：(1)高質(zhì)子或陰離子電導(dǎo)率，以降低電池阻抗，提高電池效率；(2)本身電絕緣，防止電池短路；(3)良好的力學(xué)性能，可以起到持續(xù)阻隔反應(yīng)氣體的作用；(4)無缺陷，低氫氣和氧氣透過率；(5)高化學(xué)穩(wěn)定性，在服役周期里能夠在氧化還原條件、酸性或堿性條件下保持自身良好的性質(zhì)。(6)此外，要進(jìn)行大規(guī)模廣泛推廣應(yīng)用，其加工生產(chǎn)成本也要盡可能低廉。目前而言，燃料電池主要采用質(zhì)子交換膜，燃料電池用陰離子交換膜還在起步與研究階段，但其伴隨的非貴金屬催化劑的使用對燃料電池發(fā)展具有重要意義。
對于燃料電池質(zhì)子交換膜而言，其發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代早期，最早GE公司發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池使用的是由酚醛樹脂磺酸膜或聚苯乙烯磺酸膜，聚苯乙烯磺酸膜是通過將浸漬在聚偏氟乙烯基質(zhì)內(nèi)的苯乙烯單體和和其交聯(lián)單體共聚后磺化制得，這種膜由于存在嚴(yán)重的老化問題，并沒有走得很遠(yuǎn)。在1966年，杜邦公司發(fā)明了Nafion膜，即全氟磺酸膜（PFSA），這種膜是基于四氟乙烯與側(cè)鏈中含有磺酰氟的全氟乙烯醚單體的共聚反應(yīng)后，再進(jìn)行水解轉(zhuǎn)型得到-SO3H后制得，國際主要燃料電池質(zhì)子膜生產(chǎn)企業(yè)如美國杜邦、日本旭硝子、旭化成都是生產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜。并且根據(jù)杜邦產(chǎn)品信息表顯示，其Nafion質(zhì)子交換膜在25°C下的液態(tài)水中的質(zhì)子電導(dǎo)率已超過0.083 S/cm，導(dǎo)電性能對比同類產(chǎn)品優(yōu)異。
在燃料電池中使用的膜通常厚度小于50微米，這使得膜具有較高的電導(dǎo)率和良好的離子傳輸性能，厚度越小，其生產(chǎn)難度越大。1969年，戈爾公司首次發(fā)現(xiàn)了膨體聚四氟乙烯（ePTFE），這種材料在膨脹時產(chǎn)生非常理想的微孔結(jié)構(gòu)，使得材料具有高強度重量比、高機械性能、高耐熱耐腐蝕性等優(yōu)異特性，并開始應(yīng)用在其公司產(chǎn)品生產(chǎn)中。1995年，戈爾公司在杜邦Nafion膜生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將全氟磺酸樹脂通過浸漬-干燥的方法與膨體聚四氟乙烯聚合物相復(fù)合, 生產(chǎn)出增強型全氟磺酸Gore-Select復(fù)合膜，使得厚度減薄，全氟磺酸樹脂用量顯著降低，實現(xiàn)大幅度成本降低。Gore-Select復(fù)合增強質(zhì)子膜具有更突出的導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，并且厚度最薄可達(dá)5μm，目前已實現(xiàn)8μm厚度量產(chǎn)，非常適用于車用燃料電池質(zhì)子交換膜，也是如今最為先進(jìn)的增強膜。這種超薄質(zhì)子交換膜的實現(xiàn)可以有效降低離子傳導(dǎo)阻力，降低歐姆極化，提升水汽傳導(dǎo)能力，提高質(zhì)子傳導(dǎo)率，提升電堆功率密度。
其它企業(yè)也紛紛開始嘗試生產(chǎn)復(fù)合增強膜，以提高其在燃料電池中的性能。日本旭硝子在2000年左右，使用2.7 wt%的 PTFE 原纖維開發(fā)出厚度為50μm的增強膜，DSM Solutech使用非氟化的超高分子量聚乙烯作為多孔基質(zhì)增強材料，生產(chǎn)出厚度為25 μm增強膜，都展示出不錯的性能。在中國，目前東岳未來氫能以及科潤新材料都實現(xiàn)了質(zhì)子交換膜的自主化生產(chǎn)，其產(chǎn)品最薄可達(dá)15μm與12μm，國電投氫能已將質(zhì)子膜厚度減薄到8μm，雖與國外一流先進(jìn)技術(shù)還有一定差距，但正在迅速發(fā)展之中。據(jù)相關(guān)報道，東岳未來氫能年產(chǎn)150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程已正式投產(chǎn)運營，科潤100萬平米質(zhì)子交換膜項目也已開工，國電投氫能公司旗下的武漢綠動氫能年產(chǎn)30萬平方米的質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線也建成投產(chǎn)，我們可以相信在對燃料電池產(chǎn)業(yè)的不斷推動促進(jìn)下，質(zhì)子交換膜實現(xiàn)國產(chǎn)化未來可期。
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