Progress of High Performance Proton Exchange Membranes for Fuel Cells

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.04.009

Abstract

Abstract:

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is characterized by high efficiency and environmental protection, and has great potential for development in solving energy and environmental problems.Proton exchange membrane (PEM) is one of the key components of PEMFC, which affects the performance and cost of the cell. Existing commercial Nafion type PEMs have a problems in balance of high cost, conductivity and mechanical properties. PEMs with low cost and excellent performance can improve the performance and commercialization of fuel cells. To address the compatibility problem of conductivity and mechanical properties of PEMs, researchers have designed a variety of enhanced PEM materials in terms of membrane constituent materials and microcosmic nano structures. Here, the requirements of PEMFC for PEM are briefly introduced, and the preparation methods of novel PEM based on doped nanomaterials, composite resin cross?linking and porous skeleton are mainly analyzed. The characteristics of membrane properties before and after modification are compared, and the problems in the preparation process of PEM are briefly analyzed, and the future research directions of PEM are further prospected.

Key words: Proton exchange membrane, Performance compatible, Nanomaterials, Perfluorosulfonic acid membrane, Porous backbone

摘要：

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有高效、环保等特点，在解决能源、环境等问题方面极具发展潜力。质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）是PEMFC的关键部件之一，影响电池的性能和成本。现有商用Nafion系列PEM存在成本高、电导率与机械性能较难兼备等问题，成本低廉、性能优异的PEM有助于提高燃料电池的性能和商业化推广。针对膜材料的电导率与机械性能的兼容问题，研究人员从膜的组成材料和微纳结构等方面出发，设计了多种增强型PEM。简要介绍了PEMFC对PEM的要求；重点综述了基于纳米材料改性、复合树脂交联、多孔骨架支撑等的新型PEM制备方法；比较了改性前后膜性能特点，并对PEM制备过程存在的问题做了简要分析；对PEM的研究方向进行了展望。

关键词: 质子交换膜, 性能兼容, 纳米材料, 全氟磺酸膜, 多孔骨架

CLC Number:

TQ325

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Figures/Tables 10

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类别	主要结构	优点	缺点	参考文献
全氟膜	氟化主链，磺酸基侧链	质子电导率高，在燃料电池条件下具有优异的化学稳定性和物理稳定性	成本高；在高温、低湿度的条件下，质子电导率低，机械性能差；燃料渗透率高；易热降解和化学降解	[13]
部分氟化膜	氟碳基侧链，芳香物或氢化合物侧链	价格低廉，侧链结构中质子交换基团的接枝可以提高质子电导率	寿命较短，稳定性差;常温下质子导电性能不及全氟磺酸质子膜	[14]
无氟膜	有质子导电基团，烃基	机械性能优，价格低廉	化学和热稳定性差，质子电导率低	[15]

类别	主要结构	优点	缺点	参考文献
全氟膜	氟化主链，磺酸基侧链	质子电导率高，在燃料电池条件下具有优异的化学稳定性和物理稳定性	成本高；在高温、低湿度的条件下，质子电导率低，机械性能差；燃料渗透率高；易热降解和化学降解	[13]
部分氟化膜	氟碳基侧链，芳香物或氢化合物侧链	价格低廉，侧链结构中质子交换基团的接枝可以提高质子电导率	寿命较短，稳定性差;常温下质子导电性能不及全氟磺酸质子膜	[14]
无氟膜	有质子导电基团，烃基	机械性能优，价格低廉	化学和热稳定性差，质子电导率低	[15]

成膜材料	掺入材料类型	吸水率/%	质子导电率/（mS·cm^-1）		拉伸强度/MPa		参考文献
成膜材料	掺入材料类型	吸水率/%	未增强	增强	未增强	增强	参考文献
SPPESK	1D	19.00	131.80	226.70	8.10	31.40	[22]
SPEEK	1D	19.60	300.25	720.60	53.44	68.40	[23]
PES⁃PVP	2D	－	34.80	57.60	3.10	5.30	[24]
SPEEK	2D	－	152.00	260.00	－	－	[25]
PCM	3D	18.70	165.00	240.00	10.48	13.20	[26]

成膜材料	掺入材料类型	吸水率/%	质子导电率/（mS·cm^-1）		拉伸强度/MPa		参考文献
成膜材料	掺入材料类型	吸水率/%	未增强	增强	未增强	增强	参考文献
SPPESK	1D	19.00	131.80	226.70	8.10	31.40	[22]
SPEEK	1D	19.60	300.25	720.60	53.44	68.40	[23]
PES⁃PVP	2D	－	34.80	57.60	3.10	5.30	[24]
SPEEK	2D	－	152.00	260.00	－	－	[25]
PCM	3D	18.70	165.00	240.00	10.48	13.20	[26]

基膜	掺杂材料	膜厚度/μm	电导率/（mS·cm^-1）		拉伸强度/MPa		参考文献
基膜	掺杂材料	膜厚度/μm	未增强	增强	未增强	增强	参考文献
PFSA	PSUT	30.00	60.00	260.00	196.00	385.00	[42]
PFSA	PSU	45.00	290.00	320.00	30.00	128.00	[43]
PFSA	MOFs	－	3.89	21.30	－	－	[44]
PFSA	PBI	－	12.39	5.52	21.00	100.00	[45]
PFSA	PDVB	15.00	93.00	830.00	24.80	36.50	[46]