质子交换膜的使用
分析:
答:主要用于制造燃料电池。
质子交换膜材料的改进及应用
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车和固定电站的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和运输提供通道，使质子从阳极通过膜到达阴极，与外电路的电子转移形成回路，向外界提供电流。因此，质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，其质量直接影响电池的使用寿命。
到目前为止，最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是杜邦公司的Nafion。膜具有质子传导率高和化学稳定性好的优点。目前，大多数PEMFC采用Nafion？中国用于组装PEMFC的PEM主要依赖进口。但是Nafion呢？类膜材料仍然存在以下缺点:(1)制作困难且成本高，全氟材料的合成和磺化非常困难，成膜过程中的水解和磺化容易使聚合物变性降解，成膜困难，导致成本高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion？该系列膜的最佳工作温度为70 ~ 90℃。如果超过这个温度，膜的含水量和电导率将迅速下降，这阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的问题。(3)一些碳氢化合物，如甲醇，具有高渗透性，不适用于直接甲醇燃料电池中的质子交换膜(DMFC)。
因此，为了提高质子交换膜的性能，对质子交换膜的改进研究正在进行。根据近两年的文献报道，可以采用以下方法进行改进:
(1)有机/无机纳米复合质子交换膜凭借纳米粒子尺寸小、比表面积大的特点，提高了复合膜的保水能力，从而达到扩大质子交换膜燃料电池工作温度范围的目的；
(2)质子交换膜骨架材料改进，针对Nafion？膜的缺点，还是在Nafion？膜基改进，或选择新的骨架材料；
(3)调整膜的内部结构，特别是增加其中的微孔，使成膜方便，解决催化剂中毒问题。
此外，除了这三项改进，现有的许多研究都或多或少地采用了纳米技术，使材料更小，性能更好。
下面简单介绍一下使用这三种方法的文献。
(1)有机/无机纳米复合质子交换膜
哥伦比亚化学公司于2003年2月4日公布的世界专利WO * * * * * * * *公开了一种磺酸导体聚合物接枝碳材料。其制造方法是碳材料中含杂原子的导体聚合物单体氧化聚合，磺化接枝。该方法还可以进一步金属化聚合物接枝碳材料。含碳材料可以是炭黑、石墨、纳米碳或富勒烯。聚合物是聚苯胺、聚吡咯等。其质子电导率为8.9×10-2S/cm(由Nafion-磺酸聚苯胺测得)。
国内很多专利都采用类似的方法。例如，在2003年6月公布的清华大学中国专利CN1476113中，将膜基质中带有磺酸侧基的芳香杂环聚合物加入到溶剂中形成均匀的混合物，然后加入无机物形成悬浮液。采用纳米粉碎技术粉碎悬浮液，得到分散均匀的浆料，用流延法制膜。其形成的膜结构均匀且相当致密。不仅具有良好的抗甲醇渗透性能，而且具有良好的化学稳定性和质子传导性，甲醇渗透率小于5%。
(2)改进了膜骨架的高分子材料。
《膜科学杂志》发表了香港大学2005年发表的论文。Nafion和聚合糠醇采用原位酸催化聚合。用该材料制成的质子交换膜明显提高了还原甲醇的流量，其质子电导率为0.0848S/cm。
中山大学2004年在中国公开的专利CN1585153介绍了一种用于直接醇类燃料电池的改性质子交换膜的制备方法。以市售磺化树脂为原料，添加无机纳米材料，通过流延法、压延法、浆料涂布法或浸渍法等成膜法制备质子交换膜。
(3)调整膜的内部结构
《电化学学报》杂志2004年发表了韩国光州科学技术研究所的论文，采用了一种改进的聚合物作为质子交换膜，选用了磺化聚苯乙烯-b-聚(乙烯-γ-丁烯)-b-聚苯乙烯* * *聚合物(SSEBS)。在显微镜下观察，呈现纳米结构的离子通道，质子交换膜比普通的更耐电。
华中科技大学于2001公布并申请的中国发明专利CN1411085，在一层厚度h≤1mm，孔径n ≤ 2 mm的陶瓷薄膜结构上有多个有序分布的微孔，微孔分布在整个陶瓷薄膜上，陶瓷薄膜的微孔中充满了高导电性的电解质。孔径n优选为纳米量级。质子交换膜的制备方法，首先在厚度h≤1mm的金属膜上制备有序微孔；然后通过电化学方法或其他手段氧化成陶瓷膜；然后用高电导率的电解质填充陶瓷膜的微孔。该方法具有成膜容易、制造成本低的特点，通过提高质子交换膜的工作温度，可以解决催化剂中毒的问题。
此外，最近国外报道的一些制造质子交换膜的方法包括:
Wo * * * * * * * * *是雷诺公司于2005年5月19日提交的一项关于离子导体复合质子交换膜的专利，该专利公开了一种离子导体复合膜的制造方法，包括a)将电子和离子非导体聚合物结合，或将低熔点盐与至少两种聚合物在溶液或熔融状态下混合；b)与二氧化硅水解有机前体结合；c)与合适的杂多酸有机溶液混合，并浇铸成膜，特别是厚度为5-500微米且表面光滑的薄膜，并且离子导体的孔道是纳米级的。其中，聚合物为聚砜和聚酰亚胺树脂。最终质子电导率为433k，在100%RH下测试时达到(1.1 ~ 3.8)×10-2s/cm。
萨班茨大学于2005年3月10日公布的世界专利WO * * * * * * * *使用了一种金属包覆的纳米纤维，并且还涉及电纺纳米纤维的金属包覆工艺。
表1和表2分别列出了最终燃料电池的材料、质子传导率和性能。
但是，目前对新方法的研究还不成熟，有些不足之处需要进一步完善。比如加入无机物后，复合膜会变脆变硬，成膜性变差，所以复合膜中有机物和无机物的适当配比就变得尤为重要，这也是今后的研究方向之一。此外，加入纳米粒子后，纳米粒子的分散、反应能量的控制等膜的综合性能的研究值得进一步关注。