用于燃料电池的纳米复合耐高温质子交换膜的制备

作为包括质子交换膜燃料电池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等多种类型的燃料电池中，技术最成熟、最具商业化前景的一种，质子交换膜燃料电池也是一种重要的新能源技术。它是后化石能源时代的核心技术之一。

阻碍PEMFC推广使用的最主要障碍是其昂贵价格，尤其是电催化剂和质子交换膜这两种PEMFC核心材料的高昂价格。

然而，若能将PEMFC的工作温度提高到120至180℃，电极反应速度将大大加快。这不仅可以降低电催化剂的Pt用量，甚至可以使用廉价的电催化剂替代昂贵的Pt催化剂，从而大大降低PEMFC的成本。

在高温工作时，PEMFC的电催化剂对氢气中的CO等杂质的容忍度将大大提高，可以简化氢气的纯化工艺，甚至可以直接利用重整气作燃料，扩大氢气的来源。同时，在水的气态温区工作的PEMFC，其水热管理将更为便捷。

但是，要将PEMFC提高到水的气态温区工作，必须开发在高温也有良好质子电导率的耐高温质子交换膜。

在该项目中，课题组研究了纳米复合耐高温质子交换膜。这种膜在高达180℃的高温和不加湿的空气中仍能保持良好的质子电导率，适用于高温性燃料电池的需求。

由于课题组制备的质子交换膜由酸、碱两种材料经纳米复合而成，其质子电导率不依赖于水化作用，在不含任何水分的条件下仍能保持良好的电导率。

同时，酸-碱复合质子交换膜也不依赖于低挥发性质子化溶剂的电离作用，避免了溶剂流失引起的性能退化，甚至没有使用寿命限制。

此外，课题组还研究了酸-碱复合质子交换膜的质子传导机制。依据酸-碱复合质子交换膜中存在的协同效应，提出了质子交换膜的设计准则，为理性设计性能更加优越的酸-碱复合质子交换膜提供了理论依据。

作为包括质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等多种类型的燃料电池中技术最成熟、最具商业化前景的一种燃料电池技术，质子交换膜燃料电池(PEMFC，protonexchangemembranefuelcell)也是一种重要的新能源技术，是后化石能源时代的核心技术之一。阻碍PEMFC推广使用的最主要障碍是PEMFC的昂贵价格，特别是电催化剂和质子交换膜这两种PEMFC核心材料的高昂价格。但是，若能将PEMFC的工作温度提高到120至180℃，则电极反应速度将大大加快，可以降低电催化剂的Pt用量，甚至可以使用廉价的电催化剂替代昂贵的Pt催化剂，大大降低PEMFC的成本。PEMFC在高温工作时，电催化剂对氢气中的CO等杂质的容忍度将大大提高，可以简化氢气的纯化工艺，甚至可以直接利用重整气作燃料，扩大氢气的来源。同时，在水的气态温区工作的PEMFC，其水热管理将更为便捷。但是，要将PEMFC提高到水的气态温区工作，必须开发在高温也有良好质子电导率的耐高温质子交换膜。在该项目中，课题组研究了纳米复合耐高温质子交换膜，在高达180oC的高温和不加湿的空气中仍有良好的质子电导率，可以适用高温性燃料电池的需求。由于课题组制备的质子交换膜由酸、碱两种材料经纳米复合而成，其质子电导率不依赖于水化作用，在不含任何水分的条件下仍有良好的电导率。同时，酸-碱复合质子交换膜也不依赖于低挥发性质子化溶剂的电离作用，没有溶剂流失引起的性能退化、甚至使用寿命限制。此外，课题组还研究了酸-碱复合质子交换膜的质子传导机制，依据酸-碱复合质子交换膜中存在的协同效应，提出了质子交换膜的设计准则，为理性设计性能更加优越的酸-碱复合质子交换膜提供了理论依据。