[科普中國(guó)]-質(zhì)子傳導(dǎo)膜

質(zhì)子傳導(dǎo)膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，主要職能是隔絕燃料和氧化劑，同時(shí)傳導(dǎo)離子。最具代表性的是Nafion膜，其具有出色的質(zhì)子傳導(dǎo)能力、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。

制膜原理采用溶液流涎法1制備PVDF基材的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。為了適應(yīng)電池過(guò)程對(duì)膜材料化學(xué)穩(wěn)定性、耐電化學(xué)氧化特性的要求，同時(shí)考慮基體聚合物的可溶解特性，選用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的聚偏佛乙烯為基體原料，將其和具有磺酸基團(tuán)的聚合反應(yīng)單體烯丙基磺酸鈉（SAS），在強(qiáng)極性溶劑二甲基亞砜中溶解，混合后制成均一溶液。通過(guò)加熱引發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，和基體高分子形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜?；w材料PVDF具備良好的耐化學(xué)腐蝕特性和柔韌性， 磺酸基團(tuán)具有質(zhì)子交換能力， 提供傳導(dǎo)質(zhì)子的離子通道。

制膜過(guò)程步驟（1），使用二甲基亞砜作為溶劑，把含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯和含有質(zhì)子傳導(dǎo)功能基團(tuán)的單體溶解，聚偏氟乙烯在溶液中的濃度用重量百分?jǐn)?shù)表示為3%~45%，含有質(zhì)子傳導(dǎo)功能基團(tuán)的單體是指至少含有多于一個(gè)磺酸基團(tuán)和一個(gè)碳碳雙鍵的丙烯磺酸鈉，丙烯磺酸鈉在溶液中的濃度用重量百分?jǐn)?shù)表示時(shí)為10%~25%；

步驟（2），使用流涎法把步驟（1）得到的溶液在平滑的玻璃表面流涎成薄膜，膜厚在25~400微米之間，在溶劑揮發(fā)后形成薄膜，并可從玻璃表面剝離；

步驟（3），把步驟（2）得到的薄膜加熱到40℃~150℃溫度范圍，引發(fā)上述含有質(zhì)子傳導(dǎo)功能的單體發(fā)生聚合反應(yīng)，以便和含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯形成高分子鏈互穿網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)子交換膜，其厚度在15~250微米之間2。

膜性能表征采用CHI-604C型電化學(xué)工作站（ 上海辰華公司生產(chǎn)），通過(guò)交流阻抗法測(cè)量質(zhì)子傳導(dǎo)膜電導(dǎo)率；化學(xué)穩(wěn)定性采用Fenton試劑3氧化法 進(jìn) 行 測(cè) 試；質(zhì)子傳導(dǎo)膜的爆破強(qiáng)度使用LTD-A型電動(dòng)不透水儀（天津建筑儀器廠生產(chǎn)）通過(guò)水壓法進(jìn)行測(cè)試，爆破強(qiáng)度為水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)膜爆裂時(shí)刻的水壓； 膜屈服強(qiáng)度使用AGS-J型電腦式伺服材料試驗(yàn)機(jī)（ 日 本Shimadzu公司生產(chǎn)）采用拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試；膜熱穩(wěn)定性使用STA409PC型同步熱分析儀（德國(guó)耐馳儀器制造有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)測(cè)試；在實(shí)驗(yàn)室自制VRB電池組中測(cè)試膜的電池實(shí)驗(yàn)性能（開(kāi)路電壓變化、庫(kù)倫效率、能量效率）。

應(yīng)用質(zhì)子傳導(dǎo)膜是現(xiàn)代燃料電池的核心技術(shù)，然而當(dāng)前應(yīng)用于燃料電池的質(zhì)子傳導(dǎo)膜效率相對(duì)較低，且易發(fā)生燃料滲透，導(dǎo)致污染。石墨烯質(zhì)子傳導(dǎo)膜只有質(zhì)子才能穿過(guò)，因此能夠高效地收集到大氣中的氫氣，且純度非常高，顯著提高發(fā)電效率與耐用度。如今的燃料電池所使用的燃料氫氣都是從化石燃料中獲得的，而采用石墨烯的燃料電池只需要以空氣中氫氣為原料，建造出可移動(dòng)的零污染空氣發(fā)電機(jī)離我們并不遙遠(yuǎn)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)