氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個風(fēng)口。燃料電池是一種電化學(xué)設(shè)備，通過與催化劑和氧氣發(fā)生反應(yīng)，將氫氣轉(zhuǎn)化成電流（和熱量）。水是唯一的副產(chǎn)品，這使得燃料電池不僅效率高，而且還非常環(huán)保。根據(jù)轉(zhuǎn)換過程中使用的電解質(zhì)，共有幾種不同類型的燃料電池。其中，質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料電池已經(jīng)成為用于燃料電池車輛的首選技術(shù)。
質(zhì)子交換膜外觀
質(zhì)子交換膜作為氫燃料電池核心部件，其質(zhì)量好壞直接影響電池的使用壽命。氫氣與氧氣進(jìn)行非燃燒的氧化還原反應(yīng)，通過催化劑實現(xiàn)電子與離子分離，氫離子可以直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極，電子通過外電路流向陰極時就可產(chǎn)生直流電。
單電池示意圖
單電池結(jié)構(gòu)示意圖,PEM質(zhì)子交換膜
我們通常說的膜電極( Membrane electrode assembly)，MEA主要由氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)、催化層(catalyst layer，CL)和質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane, PEM)組成。
MEA 膜電極實物圖
氣體擴散層GDL 通常由碳基材（例如復(fù)寫紙）和微孔層組成。涂有催化劑的膜由覆蓋有兩個催化劑層的質(zhì)子傳導(dǎo)膜組成——該膜通常由全氟化磺酸 (PFSA) 制成。
膜電極工作示意圖
催化劑氧化氫分子并分離電子和質(zhì)子。然后質(zhì)子可以選擇性地通過質(zhì)子交換膜 (PEM) 從陽極移動到陰極，而電子不能通過膜，將被迫通過外部電路，從而產(chǎn)生電流。在此過程中會產(chǎn)生H 2 O 和熱量作為副產(chǎn)品。
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(tuán)，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。
典型的全氟質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)示意圖
典型的 PFSA 離聚物基膜的分子結(jié)構(gòu)如圖所示。它由兩個區(qū)域組成，PTFE 主鏈提供化學(xué)/機械/熱穩(wěn)定性，親水性全氟醚側(cè)帶有參與質(zhì)子傳輸過程的磺酸 (-SO 3 H) 基團(tuán)。
目前，氫燃料電池中使用的質(zhì)子交換膜大多采用全氟化聚合物材料合成。這種材料具有穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)勢，但開發(fā)和生產(chǎn)難度很大，制造成本過高、售價昂貴，國產(chǎn)化程度低。
燃料電池質(zhì)子膜是一種固體聚合物電解質(zhì)，具有優(yōu)良的耐熱性能、力學(xué)性能、電化學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性能，可在強酸、強堿、強氧化劑介質(zhì)等苛刻條件下使用。質(zhì)子膜制備的燃料電池可廣泛應(yīng)用于乘用車、商用車、叉車、無人機、備用電源、便攜式發(fā)電機、供家庭和商業(yè)建筑使用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。
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