质子交换膜

质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)是一种半透膜，通常由离聚物制成并设计用于传导质子，同时充当电子绝缘体和反应物屏障，例如氧气和氢气。这是它们在结合到质子交换膜燃料电池或质子交换膜电解器的膜电极组件(MEA)中时的基本功能：分离反应物和传输质子，同时阻断通过膜的直接电子通路。质子交换膜可以由纯聚合物膜或复合膜制成，其中其他材料嵌入聚合物基质中。最常见和市售的PEM材料之一是杜邦公司的产品氟聚合物(PFSA)Nafion。虽然Nafion是一种像聚四氟乙烯一样具有全氟骨架的离聚物，但还有许多其他结构基序可用于制造用于质子交换膜的离聚物。许多使用聚芳烃聚合物，而其他使用部分氟化聚合物。质子交换膜的主要特点是质子电导率(σ)、甲醇渗透率(P)和热稳定性。质子交换膜燃料电池使用固体聚合物膜（薄塑料膜），当它被水饱和时质子可以透过，但它不传导电子。

早期的质子交换膜技术是在1960年代早期由为通用电气公司工作的化学家LeonardNiedrach和ThomasGrubb开发的。大量政府资源用于研究和开发这些用于NASA的双子座项目太空飞行计划的膜。许多技术问题导致NASA放弃使用质子交换膜燃料电池，转而使用电池作为双子座任务1-4的容量较低但更可靠的替代品。通用电气改进的一代PEM燃料电池被用于随后的所有双子座任务，但被放弃用于随后的阿波罗任务。氟化离聚物Nafion是当今使用最广泛的质子交换膜材料，由杜邦塑料化学家WaltherGrot开发。2014年，曼彻斯特大学的AndreGeim发表了关于石墨烯和氮化硼原子厚单层的初步结果，该结果仅允许质子通过材料，使其成为氟化离聚物作为PEM材料的潜在替代品。

与固体氧化物燃料电池(SOFC)等其他类型的燃料电池相比，PEMFC具有一些优势。PEMFC在较低温度下运行，更轻且更紧凑，这使其成为汽车等应用的理想选择。然而，一些缺点是：~80°C的工作温度对于像SOFC那样的热电联产来说太低了，而且PEMFC的电解质必须是水饱和的。然而，包括丰田Mirai在内的一些燃料电池汽车在没有加湿器的情况下运行，依靠快速的水生成和通过薄膜的高速反向扩散来维持膜的水合，以及催化剂层中的离聚物.高温PEMFC在100°C和200°C之间运行，可能会在电极动力学和热管理方面带来好处，并更好地耐受燃料杂质，尤其是重整油中的CO。这些改进可能会导致更高的整体系统效率。然而，这些收益尚未实现，因为金标准全氟磺酸(PFSA)膜在100°C及以上温度下，如果水合作用降至约xxx以下会迅速失去功能，并在此温度范围内开始蠕变，导致局部变薄和整体较低的系统寿命。因此，积极研究新的无水质子导体，如质子有机离子塑料晶体(POIPC)和质子离子液体，以开发合适的PEM。PEMFC的燃料是氢，电荷载体是氢离子（质子）。在阳极，氢分子分裂成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子流过外部电路并产生电能。氧气，通常以空气的形式，被供应到阴极并与电子和氢离子结合产生水。电极上的反应如下：阳极反应：2H2→4H++4e−阴极反应：O2+4H++4e−→2H2O整个电池反应：2H2+O2→2H2O+热+电能总的理论放热电位为+1.23V。

质子交换膜的主要应用是质子交换膜燃料电池。这些燃料电池具有广泛的商业和军事应用，包括航空航天、汽车和能源行业。早期的质子交换膜燃料电池应用主要集中在航空航天工业。与电池相比，当时更高容量的燃料电池使其成为理想的选择，因为NASA的双子座计划开始瞄准比以前尝试的更长时间的太空任务。汽车行业以及个人和公共发电是当今质子交换膜燃料电池的xxx市场。PEM燃料电池在汽车应用中很受欢迎，因为它们的工作温度相对较低，并且即使在低于冰点的条件下也能快速启动。截至2019年3月，美国道路上有6,558辆燃料电池汽车，其中丰田Mirai是最受欢迎的车型。加州以43个加氢站xxx美国，加州能源委员会在2023年之前每年可以获得2000万美元的资金来扩大覆盖范围。PEM燃料电池也已成功应用于其他形式的重型机械，巴拉德动力系统公司提供基于该技术的叉车。聚合物电解质膜电解是一种利用质子交换膜将水分解成氢气和氧气的技术。质子交换膜允许将产生的氢气与氧气分离，允许根据需要开发任何一种产品。该过程已被广泛用于为美国和皇家海军潜艇等船只的生命支持系统生成氢燃料和氧气。最近的一个例子是在魁北克建设一个20兆瓦的液化空气PEM电解厂。类似的基于PEM的设备可用于臭氧的工业生产。