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高温质子交换膜

报告人 刘云龙2012 年 11 月 20 日

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燃料电池的工作原理几类高温质子交换膜

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燃料电池的工作原理

Nafion质子交换膜分子结构

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质子传递机理

Peckham, T. J.; Holdcroft., S. Adv. Mater. 2010, 22, 4667–4690

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LT-PEMFC 缺点

Pt催化剂 CO中毒水存在气液两相，管理较复杂产生的热不易利用，能量利用率降低

HT-PEMFC 优点Pt 抗 CO能力增强水只存在气相，易于管理产生的热温度高，易于热能的再利用电极反应加快

膜中水不易保留

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高温质子交换膜

有机 -无机共混膜 新型结构的膜局部高磺化的膜

嵌段共聚物膜

较长支链的膜

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有机 -无机共混膜Nafion/SiO2 Nafion/TiO2 Nafion/PTFE/Zr(HPO4)2 SPES/BPO4

吸湿性的无机物明显提高了膜的水吸收率，质子导电率有一定的提高

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局部高磺化的膜

多个磺酸分子引入结构，使亲水单元与疏水单元极性差异加大，亲水区域易形成团簇结构，促进微相分离

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局部高磺化的膜

K. Matsumoto, T. Higashihara, M. Ueda Macromolecules, 42 (2009), pp. 1161–1166

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断面 TEM图

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嵌段共聚物膜

亲水段与疏水段交替连接，嵌段间易形成微相分离，自发地形成球状、柱状、层状等纳米结构，可以利用这些结构来构造质子传递通道

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高磺化的嵌段共聚物膜

疏水嵌段中含有砜、酮吸电子结构，在后磺化过程中就会选择性地磺化亲水嵌段亲水段经磺化后具有多个磺酸基团

Bae, B.; Yoda, T.; Miyatake, K.; Uchida, H.; Watanabe, M.Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 317–320.

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含较长支链的膜

疏水性主链与亲水性的支链，更易形成膜中的相分离结构，促进质子传递

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脂肪族型的侧链稳定性较差，在侧链上引入 PPO基团增强了聚合物的稳定性

N. Li, C. Wang, S. Y. Lee, C. H. Park, Y. M. Lee and M. D. Guiver, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 9158

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具有两性基团的聚合物膜

咪唑基团具有无水情况下导质子的能力在苯环的间位分别接有极性的导质子基团和非极性的烷基链，该结构可以使聚合物通过自组装形成超分子纳米通道

Chen, Y. B.; Thorn, M.; Christensen, S.; Versek, C.; Poe, A.;Hayward, R. C.; Tuominen, M. T.;Thayumanavan, S. Nature Chem.2010, 2 (6), 503–508.

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分子自组装

烷基链使含两性咪唑的该高分子不相容，使分子实现自组装

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无水质子导电率

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总结提高膜局部的磺化度的可增加膜的质子导电率高磺化度的嵌段共聚物膜易形成更明显的微相分离，有利于质子的传导疏水主链与亲水的支链使亲水区域更加连续，提高膜的导电率苯环间位分别接有烷基和两性基团，可是聚合物实现自组装，形成更好的质子传输通道

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