Hiện nay, màng trao đổi proton thơng dụng nhất là màng Nafion do hãng ng Nafion thương mại là một loại polymer của axít perflourosulfunic cĩ thành phần cấu tạo gồm chuỗi sườn flourocarbon và chuỗi cạnh
của nhánh ưa nước là DuPont sản xuất. Mà
perflouro với các nhĩm chức dẫn ion axít sulfonic được tổng hợp từ polytetraflouroethylene (PTFE) và ête perflouroinyl (hình 1.11).
Trong hình 1.11, M+ là cation ở dạng trung hịa hoặc proton ở dạng axít. Tính chất nổi bật của loại polymer này là sự liên kết giữa tính kị nước của sườn polymer và tính ưa nước của nhánh nhĩm chức axít sulfonic. Sự hydrat hĩa
nguyên nhân giải thích cho độ dẫn proton cao của màng Nafion khi cĩ sự hiện diện của nước.
Hình 1.11: Cấu trúc của màng Nafion [40].
Cấu trúc của màng Nafion
Hiện nay, cấu trúc chính xác của màng Nafion vẫn cịn đang được tìm hiểu. Tuy nhiên, mơ hình do Ye Hình 1.12) được thừa nhận nhiều nhất. Mơ hình nà
.
thụ ước c
ager và Steck đưa ra ( y chia màng Nafion thành ba vùng:
-Vùng A: Vùng cĩ tính điện mơi thấp với chuỗi sườn fluorocarbon kị nước. -Vùng B: Vùng xen giữa với các chuỗi cạnh đối xứng là kênh chính dẫn các dung dịch lỏng và một ít ion thấm qua màng
-Vùng C: Vùng cĩ tính điện mơi cao với các cụm ion là phần dẫn ion và hấp n ủa màng.
Hình 1.12: Mơ hình cấu tạo ba vùng của màng Nafion theo Yeager và Steck [40].
Sự hấp thu nước của màng Nafion
Một trong các tính chất quan trọng của màng Nafion cĩ ảnh hưởng lớn đối với hoạt động của pin nhi ụ nước. Quá trình hydrat hĩa nước cung c ho hân tử nước tạo thành vỏ hydrat hĩa
n cơ học” với phương tiện vận chuyển là nước [H+(H2
giữ ẩm màng trong điều kiện làm việc. Hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC cĩ thể ên liệu DMFC là tính hấp th
ấp c mỗi nhĩm chức axít sulfonic ba p
đầu tiên. Pha thứ hai giữ nước nằm trong các lỗ xốp cĩ kích thước nano giữa vỏ hydrat này với sườn polymer (Hình 1.13).
Tính dẫn proton của màng Nafion phụ thuộc nhiều vào lượng nước và sự ổn định của quá trình hấp thu nước. Cơ sở đầu tiên giải thích cho quá trình dẫn proton qua màng Nafion là lý thuyết “khuếch tá
O)n]. Cịn cơ sở thứ hai là lý thuyết “di chuyển proton”, các proton đã hydrat hĩa như H3O và H+ 5O2+ sẽ di chuyển bằng cách nhảy từ phân tử này đến phân tử khác nhờ vào cặp điện tử tự do (Hình 1.14).
được cải thiện khi tăng nhiệt độ tối đa tới 90 C, sau đĩ sẽ giảm khi lượng nước trong pin giảm cùng với sự gia tăng nhiệt độ [
o 22,26,40].
Hình 1.13: Giản đồ quá trình hấp thu nước của màng Nafion [40].