氢燃料电池车被视为新能源汽车的下一个风口。燃料电池是一种电化学设备,通过与催化剂和氧气发生反应,将氢气转化成电流(和热量)。水是唯一的副产品,这使得燃料电池不仅效率高,而且还非常环保。根据转换过程中使用的电解质,共有几种不同类型的燃料电池。其中,质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)燃料电池已经成为用于燃料电池车辆的首选技术。

质子交换膜外观

质子交换膜作为氢燃料电池核心部件,其质量好坏直接影响电池的使用寿命。氢气与氧气进行非燃烧的氧化还原反应,通过催化剂实现电子与离子分离,氢离子可以直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极,电子通过外电路流向阴极时就可产生直流电。

单电池示意图

单电池结构示意图,PEM质子交换膜

我们通常说的膜电极( Membrane electrode assembly),MEA主要由气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)、催化层(catalyst layer,CL)和质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)组成。

MEA 膜电极实物图

气体扩散层GDL 通常由碳基材(例如复写纸)和微孔层组成。涂有催化剂的膜由覆盖有两个催化剂层的质子传导膜组成——该膜通常由全氟化磺酸 (PFSA) 制成。

膜电极工作示意图

催化剂氧化氢分子并分离电子和质子。然后质子可以选择性地通过质子交换膜 (PEM) 从阳极移动到阴极,而电子不能通过膜,将被迫通过外部电路,从而产生电流。在此过程中会产生H 2 O 和热量作为副产品。

根据氟含量,可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中,由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯(PTFE)结构,因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度;聚合物膜寿命较长,同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团,具有优秀的离子传导特性。非氟质子膜要求比较苛刻的工作环境,否则将会很快被降解破坏,无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。

典型的全氟质子交换膜结构示意图

典型的 PFSA 离聚物基膜的分子结构如图所示。它由两个区域组成,PTFE 主链提供化学/机械/热稳定性,亲水性全氟醚侧带有参与质子传输过程的磺酸 (-SO 3 H) 基团。

目前,氢燃料电池中使用的质子交换膜大多采用全氟化聚合物材料合成。这种材料具有稳定性好、使用寿命长等优势,但开发和生产难度很大,制造成本过高、售价昂贵,国产化程度低。

燃料电池质子膜是一种固体聚合物电解质,具有优良的耐热性能、力学性能、电化学性能以及化学稳定性能,可在强酸、强碱、强氧化剂介质等苛刻条件下使用。质子膜制备的燃料电池可广泛应用于乘用车、商用车、叉车、无人机、备用电源、便携式发电机、供家庭和商业建筑使用的热电联产系统等。

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作者 ab, ab