【行业研究报告】电气设备-燃料电池质子交换膜

类型: 行业动态分析

机构: 头豹研究院

发表时间: 2023-03-16 00:00:00

更新时间: 2023-03-16 22:10:55

类型名称类型说明
全氟磺酸质子交换膜全氟磺酸质子交换膜已经实现商业化,成为市场上重要的燃料电池隔膜材料。其优点在于机械强度高,
化学稳定性好,在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大,质子传导电阻小。缺点主要在于高温
化学稳定性好,在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大,质子传导电阻小。缺点主要在于高温
时膜易发生化学降解,质子传导性变差;单体合成困难,成本较高;当用于甲醇燃料电池时,易发生甲
醇渗透。目前市场在售的全氟磺酸质子交换膜主要有从美国杜邦(DuPont)拆分的科慕(Chemours)公司
的Nafion系列膜,比利时苏威(Solvay)的Aquivion膜,美国陶氏化学(Dow)的Dow膜,日本旭硝子(AsahiGl
ass)的Flemion膜,日本旭化成(AsahiChemical)的Aciplex膜等,中国的东岳未来氢能也已具备自主生产全
氟磺酸质子交换膜的能力。其中市场应用最广的是科慕(Chemours)公司的Nafion膜,目前商业化的全
氟磺酸质子交换膜几乎都是以Nafion结构为基础。
部分氟化聚合物质子交换膜部分氟化聚合物质子交换膜在部分情况下已能替代全氟磺酸质子交换膜。其优点在于工作效率高,单电
池寿命提升,成本相对全氟型膜更低。缺点主要在于氧溶解度低。该类质子交换膜的代表产品是加拿大
Ballad公司的BAM3G膜,这是一款典型的部分氟化聚苯乙烯质子交换膜,其热稳定性、化学稳定性及含
水率都获得大幅提升,超过了Nafion117和Dow膜的性能。但由于聚苯乙烯类质子交换膜分子量较小,机
械强度不足,一定程度上限制了其广泛应用。
无氟聚合物质子交换膜无氟聚合物质子交换膜对工作环境要求比较苛刻,否则将会很快被降解破坏,未来有望在低温燃料电池
中应用。该类质子交换膜实质上是碳氢聚合物膜,主要材料为磺化芳香聚合物,具有良好的热稳定性和
较高的机械强度,环境污染小,成本较低。但其缺点在于寿命仅几千小时,难以满足燃料电池长时间工
作要求。该类质子交换膜的代表产品是美国DAIS公司研制的磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜,
当磺化度在50-60%时,其电导率达到与Nafion膜相近水平;当磺化度大于60%时,能同时获得较高的电
化学性能与机械强度,实现二者的平衡。
复合质子交换膜将全氟的非离子化微孔介质与全氟离子交换树脂结合,可制成复合质子交换膜,这种结构既可改善原有
膜的性质,减少昂贵的全氟树脂用量,降低膜成本,又可提高膜的机械强度与尺寸稳定性,美国戈尔(Go
reAssociates)公司已推出该类质子交换膜。英国JohnsonMathery公司采用造纸工艺制备了直径几微米、
长度几毫米的自由分散的玻璃纤维基材,用Nafion溶液填充该玻璃基材中的微孔,烧结成膜后,层压得
到厚60微米的增强型复合膜,该复合膜的电池性能与Nafion膜相近。但其制备工艺复杂,有待完善。