聚合物电解质膜的发展与应用

19世纪60年代后期发现的磺化四氟乙烯共聚物——Nafion膜，在很长一段时间内都是电解质膜的标准。那时，聚合物膜燃料电池第一次被应用到NASA的双子座太空计划。

尽管目前的电解质膜缺乏稳定性，以及难以满足汽车制造业所要求的寿命，但是替代膜的发展速度依旧很慢。新型膜材料要发展，必须要同时考虑它们的机械特性、化学稳定性、热稳定性以及老化等问题。燃料电池膜是一种包含了共价键和离子键的聚合物电解质。烃化物链及其脊柱是由共价键组成的，附属的离子基形成了一种允许离子导电的网状结构。目前正在研发的新型聚合物传导材料，主要供PEMFC和燃料电池车使用。表15.2为一些燃料电池膜的基本结构。

表15.2 燃料电池膜结构图

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表中，PBI指的是聚苯并咪唑，一种聚乙烯[2，2'_-（m-亚苯基）-5，5'_-双苯并咪唑]，具有较好的化学稳定性和热稳定性。目前，正在研究其120～200℃环境中的应用。PVDF-g-PSSA指的是聚合物（偏二氟乙烯）到聚合物（对苯乙烯磺酸）。DMFC的一个主要问题就是穿过商业Nafion膜时甲醇的渗透性问题。由于PVDF-g-PSSA具有低渗透性，因此在DMFCs中最适合用作质子交换膜。S-PEEK指的是全氟聚醚醚酮，这种聚合物比目前燃料电池中使用的全氟膜（如Nafion）要便宜，而且S-PEEK还具有良好的机械性能和热塑性以及热稳定性。

目前使用最广泛的电解质膜需要在液态水的环境下工作，正在研发的电解质膜可以在高达140℃的环境下正常工作，详见参考文献[8]和[9]。然而，在较高的温度下，膜就会发生降解，使本来就较短的PEMFC使用寿命降低。同时，水处理（水超过沸点以后对其的控制）也是非常困难的。基于此，新的导电高分子固体FC材料目前正在研究中，由于这些材料不需要水，因此可以避免上述问题。然而，它们却不适宜在低温下工作，因为低温使其导电率大大降低了。