阻醇燃料电池质子交换纳米复合膜研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.12.020

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (12): 142-154.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.12.020

阻醇燃料电池质子交换纳米复合膜研究进展

曹宁¹, 李凯¹, 王志彦², 李建华²(), 王亚涛², 陈曦², 贾伟艺², 刘洋¹(), 汪晓东³, 连慧琴¹, 崔秀国¹

^1.北京石油化工学院新材料与化工学院，特种弹性体复合材料北京市重点实验室，北京 102617
^2.开滦煤化工研发中心，河北唐山 064012
^3.北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2022-09-27 出版日期:2022-12-26 发布日期:2022-12-20
通讯作者: 李建华（1982—），男，正高级工程师，主要从事化工新材料研发与管理工作，ecljh@kailuan.com.cn
刘洋（1978—），男，副教授，主要从事离子交换膜、凝胶材料在柔性器件及电池领域研究，yang.liu@bipt.edu.cn
E-mail:ecljh@kailuan.com.cn;yang.liu@bipt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51573021);北京市自然科学基金(2162015);大学生研究训练项目(2021J00179)

Progress in proton⁃exchange nanocomposite films for alcohol⁃resistant fuel cells

CAO Ning¹, LI Kai¹, WANG Zhiyan², LI Jianhua²(), WANG Yatao², CHEN Xi², JIA Weiyi², LIU Yang¹(), WANG Xiaodong³, LIAN Huiqin¹, CUI Xiuguo¹

^1.Beijing Key Lab of Special Elastomeric Composite Materials，College of New Materials & Chemical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China
^2.Coal Chemical R&D Center of Kailuan Group，Tangshan 064012，China
^3.State Key Laboratory of Organic?Inorganic Composites，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2022-09-27 Online:2022-12-26 Published:2022-12-20
Contact: LI Jianhua, LIU Yang E-mail:ecljh@kailuan.com.cn;yang.liu@bipt.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

综述了质子交换膜纳米复合材料用于甲醇燃料电池的最新研究进展，全面阐述了纳米复合材料的形貌、结构对材料甲醇透过性、质子导电性等物理化学性能的影响，并展望了甲醇燃料电池质子交换膜复合材料的发展前景。

关键词: 甲醇燃料电池, 质子交换膜, 质子电导率, 甲醇渗透率, 复合材料

Abstract:

The present paper reviewed the latest research progress of proton exchange membrane nanocomposites used in DMFC. The influence of the morphology and structure of nanocomposites on the physical and chemical properties of materials were analyzed and commented in terms of methanol permeability and proton conductivity. Furthermore， the development prospect of the proton exchange membrane composites for methanol fuel cells is also discussed.

Key words: direct methanol fuel cell, proton exchange membrane, proton conductivity, methanol permeability, composite

中图分类号:

TQ 320.72⁺1

曹宁, 李凯, 王志彦, 李建华, 王亚涛, 陈曦, 贾伟艺, 刘洋, 汪晓东, 连慧琴, 崔秀国. 阻醇燃料电池质子交换纳米复合膜研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(12): 142-154.

CAO Ning, LI Kai, WANG Zhiyan, LI Jianhua, WANG Yatao, CHEN Xi, JIA Weiyi, LIU Yang, WANG Xiaodong, LIAN Huiqin, CUI Xiuguo. Progress in proton⁃exchange nanocomposite films for alcohol⁃resistant fuel cells[J]. China Plastics, 2022, 36(12): 142-154.

图/表 10

图1 DMFC的工作原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of a typical of DMFC

图2 Nafion的化学结构式

Fig.2 Chemical structure of Nafion

图3 PEEK（a）、PES（b）、PEN（c）和PI（d）的化学结构式

Fig.3 Chemical structures of PEEK（a），PES（b），PEN（c） and PI（d）

图4 sPSF和分散良好的纳米TiO2（或ZrO2）的混合质子交换膜的示意图［29］

Fig.4 Schematic illustration of hybrid PEM of sPSF and well⁃dispersed nano⁃TiO2 （or ZrO2）［29］

图5 BSPAEKS和s⁃Fu之间的质子转移和氢键形成［31］

Fig.5 Proton transfer and hydrogen bond formation between BSPAEKS and sulfonated fullerene［31］

图6 电场定向CNTs/SPEEK复合膜的示意图［35］

Fig.6 Schematic representation of electric field aligned CNTs/SPEEK composite membrane［35］

图7 复合膜可能的质子传导机制［41］

Fig.7 The proton conduction mechanism of the composite membrane［41］

图8 SPEEK⁃Cl和ABPBI⁃GO形成的C⁃SPEEK膜结构示意图（a）、SPEEK⁃Cl和ABPBI⁃GO之间形成的化学共价键（b）和SPEEK⁃Cl和ABPBI⁃GO之间通过酸碱相互作用形成的物理交联结构（c）［42］

Fig.8 Schematic illustration of C⁃SPEEK membranes structure formed by SPEEK⁃Cl and ABPBI⁃GO（a）， chemical covalent bond formed between SPEEK⁃Cl and ABPBI⁃GO（b） and physical cross⁃linked structure between SPEEK⁃Cl and ABPBI⁃GO through acid⁃base interaction（c）［42］

图9 SPEEK/clay⁃SO3H混合膜的制备示意图［45］

Fig.9 Schematic illustration for the preparation of SPEEK/clay⁃SO3H hybrid membranes［45］

质子交换膜	质子电导率/S·cm^-1	甲醇渗透率/×10^-7·cm²·s^-1	吸水率/%	离子交换容量/meq·g^-1	拉伸强度/MPa
SPES/SiO₂^［24］	0.04（100 ℃）	1.06	27.75	-	-
SPEEK/SiO₂⁃SiWA^［25］	0.069 6	6.55	-	-	-
SPSF/Nano⁃ZrO₂^［29］	0.077（30 ℃）	11	72.0（30 ℃）	-	-
SPSF/Nano⁃TiO₂^［29］	0.072（30 ℃）	11	71.6（30 ℃）	-	-
SPEEK/s⁃Fu^［30］	0.0646（30 ℃） 0.0826（60 ℃）	1.73（30 ℃） 2.23（60 ℃）	-	1.68	14.2
BSPAEKS/ s⁃Fu ^［31］	0.332（80 ℃）	7.5	45.2（25 ℃） 52.7（80 ℃）	1.81	14.4
SPEEK/sul⁃MIL101（Cr）^［32］	0.075（30 ℃） 0.22（75 ℃）	7.38	30.8	-	-
SPSF/AA⁃MOF^［34］	0.212（80 ℃）	5.8	16.7（20 ℃） 24.9（80 ℃）	-	-
SPEEK/sCNTs^［35］	0.043 1	1.689	43.85	2.19	54.59
SPEEK/SiO₂⁃CNTs^［36］	0.051 9	0.422	-	-	-
Nafion/PVDF nanofibers^［39］	0.073（20 ℃）	14.8	-	-	-
Nafion/PAN⁃ZrO₂ nanofibers^［40］	1.84	0.55	35（30 ℃） 40（60 ℃） 49（80 ℃）	1.4	-
SPEN/SGO/NGO^［41］	0.064	1.43	50.5（80 ℃）	1.67	62.02
C⁃SPEEK/ABPBI⁃GO^［42］	0.185 3	12	40.3（60 ℃）	1.96（25 ℃）	133.6
CS/E⁃MoS₂^［44］	0.003 6（80 ℃）	0.328	25.7	0.51	74
SPEEK/clay⁃SO₃H^［45］	0.059 5（25 ℃） 0.132（80 ℃）	9.64	39.14（25 ℃） 52.78（80 ℃）	-	43.3
Nafion/CS⁃CNTs^［62］	0.104	2.03（25 ℃）	37.1	0.91	-
PES/γ⁃Fe₂O₃^［64］	0.145	-	28.1	1.59	-
SPES/S⁃MoS₂^［84］	6.22（80 ℃）	0.305	25.1（80 ℃）	2.98	50.3

表1 质子交换膜的性能参数

Tab.1 Performance of proton exchange membrane

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阻醇燃料电池质子交换纳米复合膜研究进展

Progress in proton⁃exchange nanocomposite films for alcohol⁃resistant fuel cells

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