燃料電池是將染料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)反應(yīng)裝置，熱電聯(lián)機效率可達95%以上，同時還具有無噪聲、綠色環(huán)保、可靠性高、易于維護等優(yōu)勢，被認(rèn)為是當(dāng)代最具前景的新型發(fā)電技術(shù)。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）利用質(zhì)子導(dǎo)電材料作為電解質(zhì)，與普通燃料電池相比，其室溫下啟動速度快，無電解質(zhì)流失，具有高的比功率與比能量，因而在分散型電站、可移動電源及特種航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。質(zhì)子交換膜（PEM）作為燃料電池的核心材料，其性能的高低直接影響燃料電池的穩(wěn)定性和耐久性。

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一、質(zhì)子交換膜的分類

根據(jù)氟含量，可以將質(zhì)子交換膜分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結(jié)構(gòu)，因而帶來優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強度；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優(yōu)秀的離子傳導(dǎo)特性。非氟質(zhì)子膜要求比較苛刻的工作環(huán)境，否則將會很快被降解破壞，無法具備全氟磺酸離子膜的優(yōu)異性能。這幾類質(zhì)子交換膜的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 各類質(zhì)子交換膜優(yōu)缺點比較

全氟質(zhì)子交換膜最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。全氟類質(zhì)子交換膜包括普通全氟化質(zhì)子交換膜、增強型全氟化質(zhì)子交換膜、高溫復(fù)合質(zhì)子交換膜。普通全氟化質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)主要集中在美國、日本、加拿大和中國，主要品牌包括美國杜邦（Dupont）的Nafion系列膜、陶氏化學(xué)公司（Dow）的Dow膜和Xus-B204膜、3M全氟碳酸膜、日本旭化成株式會社Alciplex，日本旭硝子公司Flemion，日本氯工程公司C系列；加拿大Ballard公司BAM系列膜，比利時Solvay公司Solvay系列膜；中國山東東岳集團DF988、DF2801質(zhì)子交換膜。主要公司與產(chǎn)品如表2所示。

表2 全球質(zhì)子交換膜企業(yè)與產(chǎn)品

20世紀(jì)80年代初，加拿大Ballard公司將全氟磺酸質(zhì)子交換膜用于PEMFC并獲得成功以來，全氟磺酸膜成為現(xiàn)代PEMFC唯一商業(yè)化的膜材料普通全氟化質(zhì)子交換膜。增強型全氟化質(zhì)子交換膜主要包括PTFE/全氟磺酸復(fù)合膜和玻璃纖維/全氟磺酸復(fù)合膜。高溫型復(fù)合質(zhì)子交換膜主要包括雜多酸/全氟磺酸復(fù)合膜和無機氧化物/全氟磺酸復(fù)合膜。全氟磺酸膜的分類詳見表3所示。

表3 全氟磺酸膜的分類