质子传导膜

质子传导膜是质子交换膜燃料电池的核心所在，主要职能是隔绝燃料和氧化剂，同时传导离子。最具代表性的是Nafion膜，其具有出色的质子传导能力、化学稳定性和机械性能。

制膜原理采用溶液流涎法1制备PVDF基材的质子传导膜。为了适应电池过程对膜材料化学稳定性、耐电化学氧化特性的要求，同时考虑基体聚合物的可溶解特性，选用化学性质稳定的聚偏佛乙烯为基体原料，将其和具有磺酸基团的聚合反应单体烯丙基磺酸钠（SAS），在强极性溶剂二甲基亚砜中溶解，混合后制成均一溶液。通过加热引发单体发生聚合反应，和基体高分子形成互穿网络结构的质子传导膜。基体材料PVDF具备良好的耐化学腐蚀特性和柔韧性， 磺酸基团具有质子交换能力， 提供传导质子的离子通道。

制膜过程步骤（1），使用二甲基亚砜作为溶剂，把含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯和含有质子传导功能基团的单体溶解，聚偏氟乙烯在溶液中的浓度用重量百分数表示为3%~45%，含有质子传导功能基团的单体是指至少含有多于一个磺酸基团和一个碳碳双键的丙烯磺酸钠，丙烯磺酸钠在溶液中的浓度用重量百分数表示时为10%~25%；

步骤（2），使用流涎法把步骤（1）得到的溶液在平滑的玻璃表面流涎成薄膜，膜厚在25~400微米之间，在溶剂挥发后形成薄膜，并可从玻璃表面剥离；

步骤（3），把步骤（2）得到的薄膜加热到40℃~150℃温度范围，引发上述含有质子传导功能的单体发生聚合反应，以便和含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯形成高分子链互穿网络的质子交换膜，其厚度在15~250微米之间2。

膜性能表征采用CHI-604C型电化学工作站（ 上海辰华公司生产），通过交流阻抗法测量质子传导膜电导率；化学稳定性采用Fenton试剂3氧化法 进 行 测 试；质子传导膜的爆破强度使用LTD-A型电动不透水仪（天津建筑仪器厂生产）通过水压法进行测试，爆破强度为水压实验时膜爆裂时刻的水压； 膜屈服强度使用AGS-J型电脑式伺服材料试验机（ 日 本Shimadzu公司生产）采用拉伸实验测试；膜热稳定性使用STA409PC型同步热分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司生产）进行热重实验测试；在实验室自制VRB电池组中测试膜的电池实验性能（开路电压变化、库伦效率、能量效率）。

应用质子传导膜是现代燃料电池的核心技术，然而当前应用于燃料电池的质子传导膜效率相对较低，且易发生燃料渗透，导致污染。石墨烯质子传导膜只有质子才能穿过，因此能够高效地收集到大气中的氢气，且纯度非常高，显著提高发电效率与耐用度。如今的燃料电池所使用的燃料氢气都是从化石燃料中获得的，而采用石墨烯的燃料电池只需要以空气中氢气为原料，建造出可移动的零污染空气发电机离我们并不遥远。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学