원리는 간단합니다: 수화 양성자 교환막의 술폰산 기단이 결합되어 한 술폰기단에서 다른 술폰기단으로, 마지막으로 다른 쪽에 도달합니다. 이론적으로는 물과 양성자만 통과할 수 있지만, 실제로 일부 양이온과 소분자 유기물도 통과할 수 있다.

양성자 교환막 재료의 개선 및 응용

양성자 교환막 연료 전지 (PEMFC) 는 작동 온도가 낮고, 시동이 빠르며, 전력보다 높고, 구조가 간단하고, 조작이 편리하다는 장점이 있어 전기차와 고정발전소의 선호 에너지로 인정받고 있다. 연료 전지 내부에서 양성자 교환막은 양성자의 이동과 수송을 위한 통로를 제공하여 양성자가 양극에서 막을 통해 음극에 도달하여 외부 회로의 전자전송과 회로를 형성하여 외부에 전류를 공급할 수 있게 한다. 따라서 양성자 교환막의 성능은 연료 전지의 성능에 매우 중요한 역할을 하며, 그 품질은 배터리의 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

지금까지 가장 많이 쓰이는 양성자 교환막 (PEMFC) 은 미국 듀폰사의 Nafion 이다. 막은 양성자 전도율이 높고 화학적 안정성이 좋다는 장점을 가지고 있다. 현재 대부분의 PEMFC 는 Nafion 을 사용하고 있습니까? 중국이 PEMFC 조립에 사용하는 PEM 은 주로 수입에 의존한다. 하지만 Nafion 은요? 류막 재료는 여전히 다음과 같은 단점이 있다: (1) 제작이 어렵고 비용이 많이 들고, 퍼플 루오로 재료의 합성과 술 폰화는 매우 어렵고, 성막 과정의 수해와 술 폰화는 중합체의 변성을 쉽게 분해하고, 성막난으로 인해 비용이 많이 든다. (2) 온도와 수분 함량 요구 사항이 높음, 나피온? 이 시리즈의 최적의 작동 온도는 70 ~ 90 ℃입니다. 이 온도를 초과하면 막의 수분 함량과 전도율이 급속히 낮아져 작동 온도를 적절히 높여 전극 반응 속도를 높이고 촉매제 중독을 극복하는 문제를 방해한다. (3) 메탄올과 같은 일부 탄화수소는 침투성이 뛰어나 직접 메탄올 연료 전지의 양성자 교환막 (DMFC) 에는 적용되지 않는다.

따라서 양성자 교환막의 성능을 향상시키기 위해 양성자 교환막의 개선 연구가 진행 중이다. 최근 2 년간의 문헌 보도에 따르면 다음과 같은 방법으로 개선할 수 있다.

(1) 유기/무기 나노 복합 양성자 교환막은 나노 입자의 크기가 작고 표면적보다 큰 특징으로 복합막의 보수능력을 높여 양성자 교환막 연료 전지의 작동 온도 범위를 확대하는 목적을 달성한다.

(2) Nafion 에 대한 양성자 교환막 골격 재료 개선? 필름의 단점, 아니면 Nafion 에 있습니까? 멤브레인 기반 개선 또는 새로운 골격 재료 선택;

(3) 막의 내부 구조를 조정하고, 특히 그 속의 미공을 증가시켜 성막을 편리하게 하고 촉매제 중독 문제를 해결한다.

또한, 이 세 가지 개선 사항 외에도, 기존의 많은 연구들은 나노 기술을 어느 정도 채택하여 재료를 더 작게 하고 성능을 향상시켰다.

이 세 가지 방법을 사용하는 문헌을 간단히 소개하겠습니다.

(1) 유기/무기 나노 복합 양성자 교환막

WO2003 100884, 콜롬비아 화학사의 세계 특허는 2003 년 2 월 4 일 공개돼 술폰산 도체 폴리머 접지탄소 소재를 공개했다. 그 제조 방법은 탄소 재료에 잡원자를 함유한 도체 중합체 단량체 산화 중합, 술 폰화 접지이다. 이 방법은 또한 폴리머 그라프 트 탄소 재료를 더욱 금속 화 할 수 있습니다. 탄소 함유 물질은 카본 블랙, 흑연, 나노 탄소 또는 풀러렌이 될 수 있습니다. 중합체는 폴리아닐린, 폴리피롤 등이다. 양성자 전도율은 8.9× 10-2S/cm (Nafion- 술폰산 폴리아닐린에 의해 측정) 입니다.

국내 특허 중 상당수가 비슷한 방법을 채택하고 있다. 예를 들어 2003 년 6 월 발표된 청화대 중국 특허 CN 1476 1 13 에서 술폰산 측기가 있는 방향잡환 중합체를 용제에 넣어 균일한 혼합물을 만든 다음 무기물을 넣어 공중부양액을 형성한다 나노 분쇄 기술을 이용하여 공중부양액을 분쇄하고, 분산되고 균일한 풀을 얻고, 유연법제막을 사용한다. 그것이 형성하는 막 구조는 균일하고 상당히 촘촘하다. 항메틸알코올 침투 성능뿐만 아니라 화학적 안정성과 양성자 전도성도 우수하며 메탄올 침투율은 5% 미만이다.

(2) 막 골격의 고분자 재료가 개선되었다.

막과학지' 는 홍콩대가 2005 년 발표한 논문을 발표했다. Nafion 과 폴리푸르 푸릴 알코올은 원위치 산 촉매 중합을 사용합니다. 이 재료로 만든 양성자 교환막은 메탄올을 환원하는 유량을 현저히 높였으며, 그 양성자의 전도율은 0.0848S/cm 이다.

중산대는 2004 년 중국에서 공개된 특허 CN 1585 153 에서 직접 알코올 연료 전지를 위한 개조성 하위 교환막의 제비 방법을 소개했다. 시판수지를 원료로 무기 나노재료를 첨가하고 유연법, 압연법, 슬러리도포법, 함침법 등 성막법으로 양성자 교환막을 준비한다.

(3) 필름의 내부 구조 조정

전자화학학보' 지는 2004 년 한국 광주과학기술연구소의 논문을 발표해 향상된 중합체를 양성자 교환막으로 사용하고 술 폰화 폴리스티렌 -b- 폴리 (에틸렌-γ-부텐) -b- 폴리스티렌 * * * 중합체 (SSEBS) 를 선택했다. 현미경으로 관찰한 결과, 나노 구조를 나타내는 이온 통로는 양성자 교환막이 보통보다 더 내성이 있다.

화중과학기술대학은 200 1 발표 및 신청한 중국 발명 특허 CN1KLOC-0/11085, 두께 H ≤/KLOC- 조리개 n 은 나노 스케일로 선호됩니다. 양성자 교환막의 제비 방법은 먼저 두께 h≤ 1mm 의 금속막에 질서 있는 마이크로구멍을 준비한다. 그런 다음 전기 화학적 방법 또는 기타 수단을 통해 세라믹 멤브레인으로 산화됩니다. 그런 다음 세라믹 멤브레인의 미세 기공을 높은 전도도의 전해질로 채 웁니다. 이 방법은 성막이 쉽고 제조 비용이 낮은 특징을 가지고 있어 양성자 교환막의 작동 온도를 높여 촉매제 중독 문제를 해결할 수 있다.

또한 최근 해외에서 보도된 양성자 교환막을 만드는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.

WO200545976 은 르노사가 2005 년 5 월 19 일 제출한 이온 도체 복합 양성자 교환막에 대한 특허로, 이 특허는 이온 도체 복합막의 제조 방법 (A) 을 A) 전자와 이온 비도체 중합체를 결합하거나, 저융점 소금을 용액 또는 용융 상태에서 최소 두 종류의 중합체와 혼합합니다. B) 실리카 가수 분해 유기 전구체와 결합; C) 적절한 헤테로폴리산 유기 용액과 혼합되어 막, 특히 두께가 5-500 미크론이고 표면이 매끄러운 박막으로 주조되며 이온 도체의 구멍은 나노급이다. 여기서 중합체는 폴리 설폰 및 폴리이 미드 수지입니다. 최종 양성자 전도율은 433k 로 100%RH 에서 테스트할 때 (1.1~ 3.8) ×10/0 에 도달합니다

2005 년 3 월 10 일 발표된 SABANCI University 의 세계 특허 WO20052 1845 는 금속으로 코팅된 나노섬유를 사용하며, 전기 방적 나노섬유의 금속 코팅 공예도 다루고 있다.

표 1 과 표 2 는 각각 최종 연료 전지의 재료, 양성자 전도율 및 성능을 나열합니다.

그러나 현재 새로운 방법에 대한 연구는 아직 성숙하지 않아 약간의 부족한 점이 더 보완되어야 한다. 예를 들어, 무기물을 첨가하면 복합막이 바삭바삭하게 굳어지고 성막성이 나빠지기 때문에 복합막에서 유기물과 무기물의 적절한 비율이 특히 중요해지는데, 이는 앞으로의 연구 방향 중 하나이다. 또한 나노 입자를 첨가한 후 나노 입자의 분산, 반응 에너지 제어 등 막의 종합 성능에 대한 연구는 더욱 주목할 만하다.