¿Por qué las pilas de combustible de química de la escuela secundaria utilizan membranas de intercambio de protones? ¿Cuál es la función de la membrana de intercambio de protones? ¿Cuáles son los beneficios de usarlo en lugar de no usarlo? agradecido

El principio es simple: los grupos de ácido sulfónico en la membrana de intercambio de protones hidratada se combinan, luego pasan de un grupo de ácido sulfónico a otro y finalmente al otro lado. En teoría, sólo se permite el paso de agua y protones, pero en realidad también pueden pasar algunos cationes y pequeñas moléculas orgánicas.

Mejora y aplicación de materiales de membrana de intercambio de protones

La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) tiene las ventajas de una baja temperatura de funcionamiento, un arranque rápido, una alta potencia específica, una estructura simple y una fácil instalación. Es reconocida como la fuente de energía preferida para vehículos eléctricos y centrales eléctricas estacionarias. Dentro de la pila de combustible, la membrana de intercambio de protones proporciona un canal para la migración y transporte de protones, permitiendo que los protones pasen a través de la membrana desde el ánodo al cátodo, formando un bucle con la transferencia de electrones del circuito externo, y proporcionando corriente a el mundo exterior. Por tanto, el rendimiento de la membrana de intercambio de protones juega un papel muy importante en el rendimiento de la pila de combustible, y su calidad afecta directamente a la vida útil de la batería.

Hasta la fecha, la membrana de intercambio de protones (PEMFC) más utilizada es Nafion de DuPont de Estados Unidos. La membrana tiene las ventajas de una alta conductividad de protones y una buena estabilidad química. Actualmente, la mayoría de los PEMFC utilizan Nafion? China depende principalmente de las importaciones del PEM utilizado para ensamblar PEMFC. ¿Pero qué pasa con Nafión? Los materiales similares a membranas todavía tienen las siguientes desventajas: (1) La producción es difícil y costosa. La síntesis y sulfonación de materiales perfluorados es muy difícil. La hidrólisis y la sulfonación durante el proceso de formación de película pueden desnaturalizar y degradar fácilmente el polímero, provocando la formación de película. difícil y que genera altos costos. Alto (2) Altos requisitos de temperatura y contenido de humedad, Nafion. La temperatura de trabajo óptima de esta serie de membranas es de 70 ~ 90 ℃. Si se excede esta temperatura, el contenido de agua y la conductividad de la membrana disminuirán rápidamente, lo que dificulta la mejora de la velocidad de reacción del electrodo y la superación del problema del envenenamiento del catalizador aumentando adecuadamente la temperatura de funcionamiento. (3) Algunos hidrocarburos, como el metanol, tienen una alta permeabilidad y no son adecuados para las membranas de intercambio de protones en las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).

Por ello, con el fin de mejorar el rendimiento de las membranas de intercambio de protones, se están realizando investigaciones sobre la mejora de las membranas de intercambio de protones. Según informes de la literatura de los últimos dos años, se pueden utilizar los siguientes métodos para mejorar:

(1) Las membranas de intercambio de protones nanocompuestas orgánicas/inorgánicas mejoran el rendimiento de la membrana compuesta en virtud del pequeño tamaño de nanopartículas y gran capacidad de retención de agua, logrando así el propósito de ampliar el rango de temperatura de funcionamiento de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones;

(2) ¿Mejora de los materiales del esqueleto de la membrana de intercambio de protones, para Nafion? Desventajas de las membranas, ¿aún en Nafion? Mejorar la base de la membrana o seleccionar nuevos materiales de estructura;

(3) Ajustar la estructura interna de la membrana, especialmente aumentar los microporos, para facilitar la formación de la membrana y resolver el problema del envenenamiento del catalizador.

Además, además de estas tres mejoras, muchos estudios existentes han adoptado más o menos la nanotecnología para hacer materiales más pequeños y con mejor rendimiento.

La siguiente es una breve introducción a la literatura que utiliza estos tres métodos.

(1) Membrana de intercambio de protones nanocompuesta orgánica/inorgánica

El documento WO2003100884, una patente mundial de Columbia Chemical Company, se publicó el 4 de febrero de 2003 y describe un polímero conductor de ácido sulfónico injertado. Materiales de carbono. El método de fabricación es la polimerización oxidativa y el injerto de sulfonación de monómeros poliméricos conductores que contienen heteroátomos en materiales de carbono. Este método también puede metalizar aún más materiales de carbono injertados con polímeros. El material carbonoso puede ser negro de humo, grafito, nanocarbono o fullereno. Los polímeros son polianilina, polipirrol, etc. Su conductividad de protones es 8,9×10-2S/cm (medida mediante polianilina de ácido nafionsulfónico).

Muchas patentes nacionales utilizan métodos similares. Por ejemplo, en la patente china CN1476113 de la Universidad de Tsinghua publicada en junio de 2003, se añaden al disolvente polímeros heterocíclicos aromáticos con grupos laterales de ácido sulfónico en la matriz de la membrana para formar una mezcla uniforme, y luego se añaden sustancias inorgánicas para formar una suspensión. Se utiliza tecnología de nanotrituración para triturar la suspensión y obtener una suspensión uniformemente dispersa, que luego se vierte en una película. La estructura de la película formada es uniforme y bastante densa.

No solo tiene buena resistencia a la permeación del metanol, sino que también tiene buena estabilidad química y conductividad de protones, con una permeabilidad al metanol inferior a 5.

(2) Se ha mejorado el material polimérico del esqueleto de la membrana.

El "Journal of Membrane Science" publicó un artículo publicado por la Universidad de Hong Kong en 2005. Nafion y alcohol furfurílico polimerizado adoptan una polimerización catalizada por ácido in situ. La membrana de intercambio de protones hecha de este material aumenta significativamente el caudal de metanol reducido y su conductividad de protones es de 0,0848S/cm.

La patente CN1585153 publicada por la Universidad Sun Yat-sen en China en 2004 introduce un método para preparar una membrana de intercambio de protones modificada para pilas de combustible de alcohol directo. Se utiliza resina sulfonada disponible comercialmente como materia prima, se añaden nanomateriales inorgánicos y se preparan membranas de intercambio de protones mediante métodos de formación de película como fundición, calandrado, recubrimiento en suspensión o inmersión.

(3) Ajustar la estructura interna de la película

La revista "Acta Electronic Chemistry" publicó un artículo del Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur en 2004, utilizando un Para la membrana de intercambio de protones, se seleccionó un polímero de poliestireno-b-poli(etileno-γ-butileno)-b-poliestireno* * * sulfonado (SSEBS). Observado al microscopio, muestra un canal iónico nanoestructurado y la membrana de intercambio de protones es más resistente a la electricidad que las ordinarias.

La patente de invención china CN1411085, publicada y solicitada por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en 2001, tiene múltiples microporos distribuidos ordenadamente en una estructura de película cerámica con un espesor h ≤ 1 mm y un tamaño de poro n ≤ 2 mm. Los poros están distribuidos por toda la película cerámica y los microporos de la película cerámica están llenos de electrolitos altamente conductores. El diámetro de poro n se sitúa preferentemente en la escala nanométrica. El método de preparación de la membrana de intercambio de protones consiste en preparar primero microporos ordenados en una película metálica con un espesor h≤1 mm; luego oxidarla en una membrana cerámica mediante métodos electroquímicos u otros medios y luego llenar los microporos de la membrana cerámica con alto contenido; electrolitos de conductividad. Este método tiene las características de fácil formación de película y bajo costo de fabricación. Al aumentar la temperatura de trabajo de la membrana de intercambio de protones, se puede resolver el problema del envenenamiento del catalizador.

Además, algunos métodos de fabricación de membranas de intercambio de protones reportados recientemente en el extranjero incluyen:

WO200545976 es una patente sobre membranas de intercambio de protones compuestas conductoras de iones presentada por Renault el 19 de mayo de 2005. Patente , que divulga un método para fabricar una membrana compuesta conductora de iones, que incluye a) combinar polímeros electrónicos y no conductores de iones, o mezclar una sal de bajo punto de fusión con al menos dos polímeros en solución o estado fundido b) combinar con el hidrolizado; precursor orgánico de sílice; c) mezclado con una solución orgánica de heteropoliácido adecuado y moldeado en una película, especialmente una película con un espesor de 5-500 micrómetros y una superficie lisa, y los poros del conductor iónico son de escala nanométrica; Entre ellos, los polímeros son polisulfona y resina de poliimida. La conductividad de protones final fue de 433 k, alcanzando (1,1 ~ 3,8) × 10-2 s/cm cuando se probó a 100 RH.

La patente mundial WO200521845 de la Universidad SABANCI, publicada el 10 de marzo de 2005, utiliza nanofibras recubiertas de metal y también involucra el proceso de recubrimiento metálico de nanofibras electrohiladas.

La Tabla 1 y la Tabla 2 enumeran los materiales, la conductividad de protones y el rendimiento de la pila de combustible final, respectivamente.

Sin embargo, la investigación actual sobre el nuevo método aún no está madura y es necesario mejorar algunas deficiencias. Por ejemplo, después de agregar sustancias inorgánicas, la película compuesta se volverá quebradiza y dura, y la propiedad de formación de película empeorará. Por lo tanto, la proporción apropiada de sustancias orgánicas e inorgánicas en la película compuesta se vuelve particularmente importante, que también es una de las siguientes. las direcciones futuras de la investigación. Además, tras la adición de nanopartículas, merece mayor atención la investigación sobre las propiedades integrales de la membrana, como la dispersión de nanopartículas y el control de la energía de reacción.