王颖锋, 江 坤, 张琳琳, 刘运权, 李水荣, 王 夺, 叶跃元

(厦门大学 能源学院, 福建 厦门 361102)

1 前 言

质子交换膜是质子交换型燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)的核心部件，主要作用是传导质子[1-4]。目前，PEMFC 中使用最广泛的质子传导材料是杜邦公司发明的Nafion 膜，该膜兼有较高的质子传导率和良好的化学稳定性[5-6]。但是，Nafion 膜仍存在制造成本较高、高温下质子传导率相对较低等不足之处(暂无法用于温度大于100 ℃的场合)[7-8]。而在非氟磺酸材料中，磺化聚醚醚酮(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK)具有价格低廉、机械强度好等特点已成为Nafion 膜的一种潜在替代品[9]。一般地，SPEEK 的质子传导率可以通过提高磺化度来改善，但在磺化度提高的同时又可能导致膜的机械性能下降。因此，如何均衡SPEEK 膜的质子传导率与机械性能是一个亟待解决的问题。目前的解决办法主要有2 种：一种是通过对有机物进行嵌段来改进；另一种是通过掺杂无机物制备复合质子交换膜来提高[10-11]。通常认为制备有机－无机杂化复合质子交换膜是提高SPEEK 膜整体性能的最有效方法之一。

研究表明，钙钛矿结构的质子导体具有ABO3结构，故呈现出较高的质子传导性，同时也兼具较好的化学稳定性、优异的机械稳定性和热稳定性等特点[12]，故近年来受到人们的广泛关注和研究。钙钛矿结构之所以稳定，是因为具有组成原子与化合价之间较平衡的几何排列[13]。比如，BaCeO3作为一种ABO3结构的质子导体，Rahmati 等[14]通过分子动力学模拟研究了它的掺杂对SPEEK 膜质子传导率的影响。结果发现，掺杂BaCeO3后所得到膜的水合氢离子扩散系数比纯SPEEK 膜高1.5 倍，说明BaCeO3的掺杂在理论上能够改善SPEEK 的质子传导率。……