赵 静 杨 光 王明召

用于燃料电池的质子交换膜知识引入高中化学

赵 静 杨 光 王明召

质子交换膜燃料电池以固体电解质膜做电解质，具有能量转换率高、启动温度低、无电解质泄露等特点，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。这种燃料电池的主要构成包括阳极、阴极和质子交换膜以及双极板(如图1所示)。阳极和阴极是典型的气体扩散电极，上面载有催化剂(一般采用以炭黑为载体的铂催化剂)。燃料(一般为甲醇和氢气)在阳极发生氧化反应，氧化剂(一般为纯氧或空气)在阴极发生还原反应。双极板起到传递气体和反应物的作用。

图1 质子交换膜燃料电池主要结构示意图

在质子交换膜燃料电池中，质子交换膜的功能是传导质子和分隔燃料及氧化剂，其性能直接影响电池的性能与寿命。目前应用的质子交换膜几乎全为全氟磺酸膜，其中以美国Dupont公司生产的Nafion系列膜应用最为广泛[1]。这种膜具有机械强度高、电导率和化学稳定性高的优点，但也有成本高、制作工艺复杂等缺点，因此人们正在开发价格相对低廉的部分含氟及无氟质子交换膜。

一、全氟磺酸型质子交换膜

1.结构及性能

用氟原子取代乙烯中的所有氢原子，得到“全氟化”的四氟乙烯单体，其聚合物叫做聚四氟乙烯。对聚四氟乙烯进行磺化，在聚四氟乙烯侧链的末端引入磺酸基―SO3H，得到的产物就是全氟聚乙烯磺酸，分子式如图2所示[2]。由于C―F键键能高，因此全氟碳链结构具有优越的热稳定性和化学稳定性。……