质子交换膜是以含酸性基团(如磺酸、磷酸和羧酸基团等, 其中以磺酸基团为主)的高分子为材料的固体电解质膜, 在燃料电池中起到分隔燃料和氧化剂、传导质子和绝缘电子的作用。
理想的PEM 通常应当满足以下条件: ①良好的质子传导率, 以降低电池内阻并提高电流密度; ②燃料渗透性低, 能有效阻隔燃料和氧化剂, 避免二者在电极表面直接反应, 造成电池局部过热, 影响电池的库仑效率; ③较好的化学和电化学稳定性, 在氧化/还原、酸性和自由基作用下不降解, 以保证电池的工作寿命; ④出色的机械性能和热性能, 可以承受电池加工和运行中机械和热量冲击; ⑤优异的形貌和水稳定性, 有利于PEM 吸收充足的水分而不过度溶胀,进而使水和质子在膜内可快速迁移, 避免膜局部缺水或浓度梯度过大; ⑥干-湿转换的可逆性要好, 否则容易引起PEM 的局部应力增大或变形; ⑦膜的表面适于和催化剂结合制备膜电极(membrane electrodeassembly, MEA); ⑧具有竞争力的低价格。
目前广泛使用的质子交换膜是以DuPont 杜邦公司生产的Nafion 系列膜为代表的全氟磺酸膜(包括Nafion, Hyflon Ion, Dow, Flemion, Aciplex-S 和 3 M等). 从分子水平上看, Nafion 膜材料的结构是憎水的聚四氟乙烯(PTFE)骨架上通过醚键连接着末端带亲水磺酸基的全氟支链. Nafion 膜吸水后, 膜内形成亲水/憎水两相, 其中憎水相为其提供强度、稳定性等物理性能, 以保证膜形貌和尺寸的稳定性; 亲水相则为质子迁移提供连续的传输通道. 这种独特的纳米相分离结构赋予了Nafion 膜出色的机械性能、优异的电化学稳定性、适宜温度下充分润湿时的高质子传导率、良好的热稳定性和化学稳定性。
