質子交換膜是怎麼樣的？
2022-03-11 00:00
質子交換膜是怎麼樣的？
近年來，在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池越來越受到關注，這都得益于質子交換膜研究的突破。質子交換膜又稱質子傳導膜，可以說是質子交換膜燃料電池的心髒。本文重點研究了質子交換膜的發展和現狀，并闡述了幾種常用質子交換膜的性能特點。我們可以從質子交換膜的幾種常見合成方法來分析其工作原理和結構與性能的關系，從而使質子交換膜的研究取得更大的進展。
質子交換膜與一般化學電源中使用的膜在功能性質上有很大不同。在燃料電池中，它不僅起到隔絕燃料和氧化劑直接反應的作用，而且還是一種電解質。質子交換膜很特别。它是一種傳導質子但隔離電子的功能高分子膜，具有選擇性透過性。PEMFC的發展和應用前景很大程度上取決于這種膜的性能，質子交換膜的重要性不言而喻。燃料電池對質子交換膜有以下要求：
(1)對氣體滲透性低，因為燃料電池的陰極一般是空氣電極，陽極也可能是H2，質子交換膜需要隔離這兩種氣體，使其不在電極表面直接反應；
(2)對氫離子的傳遞率高，可降低電池内阻，降低能耗；具有良好的化學穩定性，這無疑直接關系到電池的壽命和成本；
(3)水分子在膜表面有足夠的擴散速度，膜的水化和脫水的可逆性更好，這樣局部變形不會導緻膜上性能不均勻；
(4)由于質子交換膜還承擔着膜和電解質的功能，因此也要求膜具有足夠的機械強度和良好的可加工性。
在開發質子交換膜的過程中，綜合考慮了以下幾個方面：
1)單位面積的厚度和質量
質子交換膜的厚度和單位質量與其電阻直接相關。減小厚度和單位質量可以有效降低燃料電池的電阻值、歐姆損耗，提高輸出電壓和能量密度。
但如果交換膜的厚度太低，會影響其抗拉強度。
2)拉伸強度
抗拉強度與質子交換膜的厚度成正比，也與内部工作環境有關。因此，在設計質子交換膜時，要綜合考慮其電阻值和抗拉強度，進行反複優化設計，找到合适、匹配的厚度值。
3)水分含量
單位幹膜質量的含水量稱為質子交換膜的含水量。水分含量對質子傳導率影響很大，同時也影響交換膜中氧氣的溶解和擴散。
含水量越高，質子擴散銀和滲透率越大，交換膜的電阻越低，但其強度越低。
4)膨脹度
溶脹度是指交換膜浸泡在給定溶液中後，其面積或體積的百分比變化。
溶脹度反映了交換膜的變形特征。高溶脹度會引起電極變形和交換膜在水合和脫水過程中因膜溶脹而引起的局部應力增加，從而導緻燃料電池性能下降。
設計交換膜時，要綜合考慮其厚度、電阻、抗拉強度、含水量、溶脹度等。這些因素相互影響，要通過不斷的優化疊代，找到一個綜合的“折中點”。
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