Màng nhị polymer acid sulfonic chứa nhiều gốc florua (perfluorinated sulfonic acid copolymer), tên thương mại là Nafion®, được hãng E.I du Pontde Nemours & Co. chế tạo vào năm 1962, và từđĩ, nĩ đã được phát triển trong hơn bốn mươi năm.
Nafion® là sản phẩm đồng trùng hợp polymer giữa tetrafluoroethylene (TFE) và perfluoro(4-methyl-3,6-dioxa-7-octene-1-sulphonyl fluoride), hay cịn gọi là “vinyl ether”. Đây là lần đầu tiên một polymer được tổng hợp với các tính chất ion rất đặc biệt, cịn gọi là ionomer.
Về mặt cấu trúc, màng Nafion® bao gồm mạch chính là polyTFE, chứa nhiều gốc fluorua. Mạch nhánh là các vinyl polyether gắn với mạch polyTFE bằng những nguyên tử oxy. Các nhĩm acid sulfonic (SO3F) gắn tại các đầu nút của mạch nhánh.
Hình 2.7 : Cấu trúc hĩa học màng Nafion® (Dupont)
Sự đối lập các tính chất của mạch chính gốc fluorocarbon và mạch nhánh sulfonic chứa nhiều ion tạo nên cấu trúc độc đáo khi polymer bị hydrate hĩa. Fluorocarbon là vật liệu điện mơi thấp ứng với tính kỵ nước. Cịn acid fluorosulfonic là một acid mạnh điển hình với nhiều ion và rất háo nước. Khi mạch polymer bị hydrate hĩa, do tính tương tác tĩnh điện (ion SO3-, H+), những nhĩm ion cĩ xu hướng kết tụ tạo thành các vùng xếp chặt hay cịn gọi là những đám (cluster). Điều này tạo ra những vùng ưa nước và kỵ nước riêng rẽ. Các nhánh sulfonat hình thành những vùng ưa nước, tạo sự dịch chuyển của nước, các proton cũng như sự thẩm thấu methanol của màng PEM. Trong khi các lớp fluorocarbon chia tách nước, hình thành các vùng kỵ nước, làm cho màng Nafion® cĩ độ bền hĩa học và tính ổn định cơ học cao.
40
Vùng kỵ nước Vùng ưa nước
Đám (Cluster) ~ 4 – 5 nm
Hình 2.8 : Mơ hình cấu trúc đám (cluster) của màng Nafion®
Các quá trình chế tạo khác nhau đã tạo ra nhiều cấu trúc của màng perfluorinated sulfonic acid copolymer với độ dài mạch polymer khác nhau (theo các thơng số n, m và x). Kết quả là bên cạnh các màng hệ Nafion® (DuPont) cịn cĩ nhiều màng khác như Dow® (Dow Chemical Company), màng Flemion® (Asahi Glass Company), …. Trong đĩ màng Nafion® 117 (DuPont) được sử dụng rộng rãi trong pin DMFC bởi vì chúng cĩ tốc độ thẩm thấu methanol thấp nhất.
Một số điểm cần chú ý khi sử dụng màng Nafion® trong pin DMFC là độ dày của màng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Độ dày màng giảm sẽ tăng hiệu suất của pin một cách đáng kể, nhưng đồng thời tính cơ học của màng yếu đi, làm giảm thời gian sử dụng của màng. Bên cạnh đấy, nhược điểm của màng Nafion® là khả năng thẩm thấu của nhiên liệu methanol qua màng làm hao hụt nhiên liệu và giảm hiệu suất của màng. Màng càng mỏng thì tốc độ thẩm thấu càng nhanh.
Bởi vì những lý do trên mà đã cĩ nhiều nỗ lực trong việc tìm kiếm một loại màng thay thế khác khơng sử dụng các polymer đắc tiền như TFE và vinyl ether. Các nghiên cứu này nhằm giảm giá thành, ngăn chặn sự thẩm thấu methanol và tăng hiệu suất sử dụng pin DMFC.