燃料电池质子交换膜材料

1、引言

随着对化石燃料的不断开采，化石燃料愈来愈多地面临逐渐枯竭的局面。针对能源的短

缺，我们可以采取的措施有，一方面寻找新的替代能源，如太阳能、原子能等等；另一方面
则是提高现有的化石能源的使用效率，延缓化石燃料枯竭的速度。由于传统上通过热能为中
介，使化学能转化为电能的效率相对较低，而直接将化学能转化为电能可以通过燃料电池
来实现。因此，发展燃料电池技术，对节约当前的资源来说，刻不容缓。

燃料电池的基本原理即将燃烧反应分解为氧化与还原的半反应，将其连接构成电池。燃

料电池在一些领域已经成功商业化推广。常见的燃料电池包括乙醇燃料电池、甲醇燃料电池、
氢氧燃料电池等。如在北京奥运会和上海世博会期间，氢氧燃料电池都成为主要运输工具的
能量来源。

然而，燃料电池还有这太多需要改进的地方。如燃料电池的催化问题和电解质膜问题。

本文将主要针对燃料电池中的电解质膜展开讨论。
2、质子交换膜的分类

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。质子交换膜不仅仅起到将电池的阴阳极分离开

的作用，更重要的是质子交换膜还承担着阴阳极之间离子传递的通道。质子交换膜可分为全
氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、复合膜等等。
1. 全氟磺酸膜

全氟磺酸膜是目前应用在燃料电池上最广泛的一种质子交换膜。正如字面上所显示的，

全氟磺酸膜的最主要化学组成是带有磺酸基团的醚支链和碳氟元素构成的主链组成的高分
子聚合物。

Dupont 公司生产的全氟磺酸膜（如 Nafion 系列膜）由于性能稳定仍然是目前最

常用的膜。

[1] 

除了化学稳定高以外，全氟磺酸膜还有机械强度高、质子传导率高等优势。然而

全氟磺酸膜依然有着诸多局限性，如在较高温度或较低湿度条件下，由于膜的含水量变化，
导致质子的传导性变低；在实际使用过程中甲醇、乙醇等燃料可能出现渗透现象，如

Nafion

系列膜甲醇的渗透比率高达总量的

40wt%，

[2] 

不仅仅造成燃料的浪费，更影响阴极的进一

步反应，严重影响着电池的性能。此外，价格昂贵、合成过程不宜进行也是影响全氟磺酸膜
扩大应用范围的另一个重要因素。
2. 非全氟化质子交换膜

非全氟化质子交换膜，就是用取代的氟化物代替纯氟代高分子化合物。相比起全氟磺酸

膜，非全氟化质子交换膜往往有着较低的成本和较高的工作效率，但是早期的非全氟化质
子交换膜材料往往没有像全氟磺酸膜一样的化学稳定性和优异的机械性能。但是由于非全氟
化质子交换膜种类较多，是更有发展前景的水合磺酸膜。解决全氟磺酸膜的种种缺陷，最重
要途径即是对全氟磺酸膜进行改性处理和非全氟化质子交换膜的研发。如倪红军等用纳米
SiO

2

对

Nafion117 进行掺杂改性制膜，得到的 60°C 硅溶胶处理的 Nafion 膜的高温保水性能

得到提高，乙醇渗透率大大降低。

[3] 

最后，非全氟化质子交换膜的价格优势，也预示着全氟

磺酸膜有朝一日必会走入历史。
3. 无氟化质子交换膜

无氟化质子交换膜，即碳氢聚合物膜，由于排除了氟元素，该种质子交换膜拥有价格

便宜、环境友好等优势，势必成为未来质子交换膜的重要发展方向。除去以上两点优势外，
结构多样、保水性能好、机械强度高也是其重要的优势。其中芳香族聚合物拥有较好的稳定性
和机械强度，是理想的质子交换膜材料，受到世界的关注。磺化芳香聚合物主要有磺化聚芳
醚酮、磺化聚苯、磺化聚苯并咪唑、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亚胺、磺化聚硫醚砜等等。

磺化聚苯并咪唑（

SPBI）是研究较早的碳氢聚合物体系。PBI 拥有较好的耐热性能，能