什么是质子交换膜？种类及特性介绍

1、质子交换膜

质子交换膜是一种带有阳离子交换基团(磺酸基团，羧酸基团，磷酸基团等)的聚合物电解质薄层，厚度通常在10-100^m之间。阳离子交换基团通过化学键固定在聚合物上从而形成一个整体。这种固定的连接方式避免了小分子电解质的流失。质子交换膜按照含氟量分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。目前全氟质子交换膜是主流的技术，产业化程度较高，主要应用在下游燃料电池、上游电解水制氢、储能电池等领域。

同时，质子交换膜是膜电极核心材料，主要功能为传导质子、阻隔气体。质子交换膜在燃料电池的主要功能有两个：一方面为电解质提供离子通道，一方面作为隔膜隔离两级反应气体。此外，质子交换膜还需要对催化剂层起到支撑作用。质子交换膜性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。

2、质子交换膜分类

(1)全氟磺酸膜

全氟磺酸膜由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成。

特性：机械强度高，化学稳定性好和在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大，质子传导电阻小。温度升高会引起质子传导性变差，高温时膜易发生化学降解;单体合成困难，成本高;价格昂贵;用于甲醇燃料电池时易发生甲醇渗透等。

优点：机械强度高，化学稳定性好，导电率较高，低温时电流密度大，质子传导电阻小

缺点：温度升高使质子传导性能变差，高温易发生化学降解，成本高

商业应用/研究：美国杜邦公司的 Nafion 系列膜;美国陶氏化学公司的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;加拿大巴拉德公司的 BAM 型膜

(2)非全氟化质子交换膜

用取代的氯化物代替氟树脂，或用氟化物与无机或其他非氟化物共混制成。

特性：具有非常低的磺酸基含量、高的工作效率;使单电池的寿命提高到15000h;成本较 Nafion 膜和 Dow 膜低得多，更易被人们接受。

优点：成本低，工作效率较高，并且能够使电池寿命提升到15000h

缺点：机械强度及化学稳定性较差

商业应用/研究：BaIard-BAM3G膜

(3)无氟化质子交换膜

由无氟化烃类聚合物膜组成。

优点：成本低，环节污染小

缺点：化学稳定性较弱

商业应用/研究：DAIS-磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜(研制)

(4)复合膜

修饰材料·和全氟磺酸树脂构成的复合膜.

优点：机械性能改善，改善膜内水传动与分布，降低质子交换膜内阻

缺点：制备技术要求较高

商业应用/研究：Gore-select-PTFE 增强膜

来源：《机械设备行业：迈入燃料电池技术快速发展的十年-220217(35页).pdf》

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