聚苯并咪唑(PBI)膜在燃料電池里的應(yīng)用進(jìn)展
分類：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時(shí)間：2022-03-30
【概要描述】近期，豐田汽車公司推出了第二代Mirai氫燃料電池汽車，與2014年推出的全球首款商業(yè)化氫燃料電池汽車相比
近期，豐田汽車公司推出了第二代Mirai氫燃料電池汽車，與2014年推出的全球首款商業(yè)化氫燃料電池汽車相比，配備三個(gè)氫燃料箱的五座Mirai最遠(yuǎn)可行駛850公里，其核心組件質(zhì)子交換膜采用的是美國戈?duì)柟镜诙鶪ore-Select膨化聚四氟乙烯增強(qiáng)型全氟磺酸樹脂膜，屬于低溫質(zhì)子交換膜燃料電池體系。 目前大部分采用的全氟磺酸膜僅適用于在低溫下（<100℃）使用，主要是由于質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率非常依賴于膜內(nèi)的含水量，因此對(duì)使用環(huán)境溫度要求較高（最佳工作溫度為80攝氏度），溫度過高會(huì)導(dǎo)致膜內(nèi)水含量下降，質(zhì)子的電導(dǎo)率迅速下降。因此目前最常用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜適用于低溫質(zhì)子交換膜燃料電池體系（LT-PEMFC），在高溫下常見的質(zhì)子交換膜（如Nafion）性能會(huì)嚴(yán)重衰減。而高溫質(zhì)子交換膜燃料電池相較于低溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有高CO耐受性以及更為優(yōu)異的電池性能，能夠減少催化劑由于CO造成的毒化，并且簡化了電池中水熱管理。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池目前主要限制在于雙極板腐蝕現(xiàn)象以及高工作溫度的維持，但其在燃料電池領(lǐng)域的關(guān)注程度仍不斷上升。對(duì)于高溫質(zhì)子膜交換燃料電池（HT-PEMFC）來說，聚苯并咪唑（PBI）膜具有獨(dú)特適用性，是該體系的首選。 HT-PEMFC與HT-PEMFC對(duì)比 來源：4G光元通信能源機(jī)構(gòu) 聚苯并咪唑膜之所以適用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池體系主要是由于其主鏈為高溫下穩(wěn)定性較好的芳香族化合物。并且其聚合物基體中可以摻入高質(zhì)子傳導(dǎo)率的酸性基團(tuán)作為質(zhì)子供體（如磷酸基團(tuán)），使得其在高溫干燥環(huán)境下具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。下圖展示了常見的PBI類型，其中聚2,2′-間亞苯基-5,5′-雙苯并咪唑和聚2,5-苯并咪唑（ABPBI）是最常用于HTPEM的PBI。 常見HT-PEMFC的PBI類型[1] 目前已成功商業(yè)化的PBI膜如Celazole? PBI和Celtec?，相較于常見Nafion膜120℃-140℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，PBI的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)427℃，這也意味著其出色的熱穩(wěn)定性，逐步應(yīng)用于高溫高壓情況下的燃料電池與液流電池中。Celazole? PBI是美國PBI公司的產(chǎn)品，其在2000年最早實(shí)現(xiàn)PBI膜的商業(yè)化應(yīng)用，也是目前全球范圍內(nèi)唯一一家生產(chǎn)聚2,2′-間亞苯基-5,5′-雙苯并咪唑的公司，主要產(chǎn)品為Celazole? U系列和T系列聚合物。 此外，德國巴斯夫（BASF）早在2003年也實(shí)現(xiàn)PBI膜的商業(yè)化，其生產(chǎn)的Celtec? PBI薄膜主要面向的就是高溫燃料電池，并且實(shí)現(xiàn)了基于PBI膜的Celtec?-P的膜電極商業(yè)化生產(chǎn)，其PBI膜產(chǎn)品主要工藝參數(shù)如下圖所示。國內(nèi)目前僅有在2019年坤艾新材料公布其成功實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫聚苯并咪唑質(zhì)子交換膜的研發(fā)，與現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜相比， 其研發(fā)的PBI膜分子量得以較大的提升，其機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)子通道率、運(yùn)行壽命均有明顯優(yōu)勢。這也將將開啟高溫燃料電池用PBI膜的國產(chǎn)化進(jìn)程，將逐步實(shí)現(xiàn)氫燃料電池的高溫質(zhì)子交換膜電極技術(shù)在亞太地區(qū)的推廣和應(yīng)用。 目前，高溫質(zhì)子交換膜的使用對(duì)高純度氫氣制備以及儲(chǔ)存依賴程度低，通常低溫質(zhì)子交換膜燃料電池體系使用的氫氣需要達(dá)到99.9%以上，而高溫質(zhì)子交換膜燃料電池體系對(duì)氫氣純度要求僅為50%以上，并且可以直接使用甲醇重整制得的含雜質(zhì)的氫氣，這可以極大程度簡化燃料電池系統(tǒng)，提高燃料電池運(yùn)行無故障率。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池在重型運(yùn)輸行業(yè)潛力較大，可以極大程度減輕重型運(yùn)輸工具的重量。有相當(dāng)一部分人對(duì)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的前景十分看好，并相信將其在備用電源、輔助動(dòng)力裝置以及重型交通方面有很大優(yōu)勢與潛力。據(jù)有關(guān)報(bào)道，上海已經(jīng)在2023年燃料電池產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中把“開發(fā)耐高溫質(zhì)子交換膜技術(shù)”列在了核心技術(shù)自主化的第一位，我們也相信在隨著研究與應(yīng)用的不斷發(fā)展下，高溫質(zhì)子膜燃料電池將在未來占據(jù)一席之地。 [1]孫鵬,李忠芳,王傳剛,王燕,崔偉慧,裴洪昌,尹曉燕.燃料電池用高溫質(zhì)子交換膜的研究進(jìn)展[J].材料工程,2021,49(01):23-34. 更多內(nèi)容： 燃料電池及所用膜市場的發(fā)展規(guī)模及未來預(yù)測 儲(chǔ)氫技術(shù)助力氫儲(chǔ)能在“新能源發(fā)電+燃料電池發(fā)電”領(lǐng)域的發(fā)展 課程：全球長時(shí)儲(chǔ)能的市場發(fā)展以及全球長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)23家公司的技術(shù)路線分析。
