質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)

李猷民 馮迎春

摘要 以質(zhì)子交換膜的燃料電池為研究對(duì)象，分析PEMFC的工作原理和主要方法，最后總結(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池當(dāng)前在我國的研究進(jìn)展。選擇經(jīng)濟(jì)適用的雙極板材料、適合的催化劑和改善先進(jìn)的制備工藝，同時(shí)提高燃料的安全性與實(shí)用性，能有效提高電池的壽命。本研究以質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展為依據(jù)，調(diào)查分析其特點(diǎn)和工作原理，為PEMFC的關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)子交換膜 燃料電池 催化劑 雙極板

目前，國際市場(chǎng)上常用的是美國杜邦公司的一種Nafion質(zhì)子交換膜，它的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但制作困難，成本很高，對(duì)溫度和含水量的要求也很高，所以加拿大EcolePolytechniqe公司生產(chǎn)了NASTA、NASTHI和NASTATHI系列膜，主要是把Nafion樹脂與雜多酸及噻吩制成一種混合膜，應(yīng)用效果較好。本文主要介紹PEMFC的特點(diǎn)和工作原理、主要材料，同時(shí)分析當(dāng)前我國PEMFC的研究進(jìn)展。

1 PEMFC的鮮明特點(diǎn)及其工作原理

1.1 PEMFC的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：PEMFC的能量轉(zhuǎn)換效率很高，幾乎達(dá)到60%-80%;工作過程中幾乎不產(chǎn)生污染，無噪音，可靠性好，組裝維修簡(jiǎn)單方便快捷;壽命長;燃料具有多樣性，適應(yīng)環(huán)境要求的空氣排放標(biāo)準(zhǔn);極大程度提高了國家供電系統(tǒng)的智能化水平、家庭的節(jié)能水平和環(huán)保效益。

缺點(diǎn)：燃料種類單一，要求燃料具有較高的安全性，燃料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程復(fù)雜;燃料電池要求很高，需要高質(zhì)量密封，容易導(dǎo)致制造過程困難;造價(jià)很高，PEMFC的催化劑主要是貴金屬鉑（Pt），使用過程中會(huì)因c0的干擾而失效;PEMFC使用過程中必須配備輔助電池系統(tǒng)才可以持續(xù)發(fā)電，但缺點(diǎn)主要是不能充電和回收利用。

1.2 PEMFC的工作原理

PEMFC的燃料有各種氣體，市場(chǎng)常見的有氫氣、甲醇和聯(lián)氨等氣體。當(dāng)燃料是氫氣時(shí)，陽極發(fā)生催化劑作用，氫分子經(jīng)過解離成為帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子，質(zhì)子和電子分別通過質(zhì)子交換膜和外電路到達(dá)陰極，電子經(jīng)電子形成電流，陰極催化劑作用在氧氣上，使電池另一端與氫離子與電子反應(yīng)咸水。化學(xué)反應(yīng)式為1/202+ H2→H20。

2 PEMFC的研究技術(shù)

2.1 質(zhì)子交換膜

全氟磺酸型的質(zhì)子交換膜是當(dāng)今國際市場(chǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種。主要有Du Pont公司的Nafion系列膜和美國DOW公司的xusB204膜等類型。主要特點(diǎn)是：這種膜的使用壽命較長，使用后的衰退過程緩慢，現(xiàn)階段這種質(zhì)子交換膜使用效果良好。但這種膜屬于高分子膜，其制作工藝繁瑣，導(dǎo)電性隨水分含量的變化而變化，使燃料電池的水管理變得復(fù)雜。加拿大Ballard公司開始研發(fā)了BAM 3G混合膜，這種混合膜具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高含水量等特點(diǎn)，替代以前的質(zhì)子交換膜取得更好的應(yīng)用效果。

2.2 催化劑

催化劑是燃料電池中最重要的部分，催化劑的特點(diǎn)決定了質(zhì)子交換的反應(yīng)速率和使用效果。碳載鉑、鉑合金和鉑氧化物及非鉑系是主要的催化劑類型。

碳載鉑（Pt/C）催化物是當(dāng)前最流行的催化劑，最早的Pt/C催化劑中pt含量高達(dá)4mg/cm2，隨著科技日益興起，pt擔(dān)載量逐漸下降至0.4mg/cm2，雖然鉑的物理和化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，活性高，但由于鉑屬于貴金屬，我國產(chǎn)量稀少，不適合長期使用。巴拿德公司研發(fā)一項(xiàng)可以將鉑載量下降至0.02mg/cm2的技術(shù)，可以暫時(shí)緩解鉑不足的問題。

由于Pt和Ru的作用能使PEMFC在c0下持續(xù)工作一段時(shí)間，使之具有高度的催化性和C0抗性。姜魯化[4]等研究發(fā)現(xiàn)在催化劑中加入Sn可以有效提高Pt對(duì)C2H50H的催化活性。

鉑氧化物及非鉑系催化物是周帥林等研究出的抗毒性和穩(wěn)定性良好的催化劑，但只能在130℃以下進(jìn)行工作。

2.3 雙極板

PEMFC的雙極板材料有石墨、金屬和復(fù)合材料三種。

目前，石墨材料是雙極板中最常用的材料，是將碳粉或石墨粉與樹脂混合后加壓，之后進(jìn)行高溫石墨化。這種材質(zhì)的雙極板耐腐蝕，導(dǎo)電性好，但脆性大，強(qiáng)度低，生產(chǎn)中可以采用機(jī)壓注塑和凝膠注模的方法增加其強(qiáng)度。導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好的是金屬雙極板，加工簡(jiǎn)單，但其質(zhì)量太大，易腐蝕，影響電池功能，必須對(duì)金屬表面進(jìn)行加工處理，削弱腐蝕效果，主要處理方法有氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍和絲網(wǎng)印刷等多種方法。主要的研究方向是熱塑性高分子耐腐蝕的導(dǎo)電材料制成的復(fù)合雙極板，在高溫下擠壓成型，特點(diǎn)是低成本、耐腐蝕。近年新興一種合成高性能碳石墨的首選復(fù)合性原材料一中間相碳微球，是復(fù)合材料中較好的類型。

3 當(dāng)前我國PEMFC的研究進(jìn)展?fàn)顩r

質(zhì)子交換膜燃料電池逐漸成為汽車動(dòng)力的主要部件，豐田等各種許多汽車種類都使用以PEMFC為動(dòng)力源的汽車，在航空領(lǐng)域、水下領(lǐng)域和家庭電源領(lǐng)域，燃料電池也正在逐漸推廣。

上世紀(jì)末期，我國的PEMFC技術(shù)在國家科技部和中科院的支持下取得了不錯(cuò)的效果，中科院化學(xué)研究所的燃料電池性能屬于國際先鋒水平，天津大學(xué)和清華大學(xué)等許多高等院校以及我國的許多民營高科技企業(yè)都參加了PEMFC的研發(fā)。經(jīng)過近二三十年發(fā)展，我國與國際水平的差距逐漸縮小，燃料電池的技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)具備自己完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和開發(fā)能力。

4 結(jié)束語

質(zhì)子交換膜燃料電池以它高效綠色環(huán)保的特點(diǎn)逐漸變成應(yīng)用最廣的資源，用它的安全性和實(shí)用性吸引著人們的開發(fā)，逐漸緩解世界上能源短缺的現(xiàn)象。所以，需要大批資金和科研人員的共同努力，PEMFC的開發(fā)迫在眉睫，推廣和應(yīng)用也要同步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉豐峰，盧玫.質(zhì)子交換膜燃料電池研究進(jìn)展[J].通信電源技術(shù)，2009，26 （02）： 25-28.