质子交换膜PPT课件

质子交换膜：氢能产业链的关键材料氢能作为清洁低碳、高热值、可获得性强和储运灵活的绿色能源，在中国能源结构转型的过程中将扮演重要的角色，随着光伏和风电等可再生能源的发展，我们认为度电成本的下降将显著降低电解水制氢的成本，绿氢有望大规模应用于交通运输、工业和制造业领域，质子交换膜作为电解水制氢和燃料电池电堆的关键材料，市场规模有望迎来较快的增长。

图1：质子交换膜在氢能产业链中的应用场景质子交换膜：特异性的实现质子的传递质子交换膜（PEM）是有机氟化工产业的终端产品，广泛用于氯碱、燃料电池、电解水制氢和储能电池等领域，主要在于其特异性的质子传递功能，使得电极反应顺利进行。

以燃料电池质子交换膜为例，氢气通过气体扩散层，在阳极催化剂作用下失去电子变成质子，质子在PEM膜上特异性地传递到阴极并与氧离子反应生成水分子。

在一定的温度和湿度下，PEM膜只传递质子，而气体分子和其他离子无法通过。

为实现特异性的传递和广泛阻隔的功能，PEM膜需要具备以下性能：1）较高的质子传递性，电导率一般要求达到0.1s/cm的数量级；2）较低的气体渗透率，以避免H2和O2在电极表面发生反应并造成局部过热；3）较好的化学稳定性，不易发生降解和失效；4）良好的机械稳定性，在干/湿条件下均具有良好的机械强度和粘弹性，保证长期稳定运行及与催化层的良好结合；5）较强的水合作用，避免局部缺水，影响质子传导。

图2：燃料电池中质子交换膜的工作原理从结构特点看PEM膜的特异性传递质子交换膜之所以能够特异性的通过质子，而阻断气体分子和其他离子，原因在于其独特的聚合物结构：以Nafion膜为例，是四氟乙烯和全氟乙烯基醚磺酰氟（PSVE）的聚合物，其主链为高疏水的碳氟结构，为PEM 膜提供了优异的化学稳定性和机械稳定性。

按照Gierke等人在20世纪70年代设想的经典模型，Nafion膜中的离子群体倾向于形成直径约为4nm的致密聚集体即团簇，水分子充满团簇内部并起到连接团簇中各离子的作用，聚集体通过约 1 nm的通道相互连接，用于质子和水分子在膜内的扩散。

质子交换膜燃料电池的基本结构（一）如图1所示，质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。

聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。

催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。

电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。

①质子交换膜质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180 um的薄膜片，其微观结构非常复杂。

它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。

它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。

(a) PEMFC的基本结构(b)质子交换膜燃料电池组的外观图1 质子交换膜燃料电池的基本结构质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。

质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。

质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。

a．膜的厚度和单位面积质量。

膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的工作电压和能量密度越大；但是如果厚度过低，会影响膜的抗控强度，甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。