H2-AEMFC及其穩定性綜述

孟凡英， 張玉娟， 孫 震

(1.張家口職業技術學院，河北 張家口 075000；2.張家口市橋東區姚家莊鎮人民政府，河北 張家口 075000)

引 言

燃料電池由于其環境友好和較高的能量轉換效率而廣受關注，限制燃料電池產業化應用最大的一個因素就是成本問題。質子交換膜燃料電池(PEMFC)約一半成本來自于催化劑鉑的使用，因此，使用非鉑催化劑成為了燃料電池領域需要解決的問題之一。陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)因此應運而生。

1 AEMFCs的獨特特征

(1)

OH-被輸送到陽極，當氫被用作燃料時，發生式(2)氧化反應：

(2)

在整個反應中，PEMFC和AEMFC都產生水作為副產品。然而與PEMFC技術不同的是，AEMFC中的水是在陽極產生的，同時水又是陰極上的反應物。這種獨特的水傳輸情景，再加上AEMFCs中的高堿性介質，代表了AEMFCs的一個獨特特征。

2 H2-AEMFC性能穩定性

越來越多的研究成功地證明了因為這項技術開發的改進材料制成的電池具有良好的性能。然而盡管AEMFC性能測試數據已經發表了近百份報告，但對電池性能穩定性的研究卻很少。

在恒流密度或恒定電壓下AEMFC的操作試驗報道了其性能穩定性研究，將結果的性能穩定性數據表示為單元電壓與時間的關系(見第69頁圖1a))、單元電流密度或單元功率密度與時間的關系(圖1b))。為了將所有文獻數據匯總到圖中并便于比較，報告的性能穩定數據在每次測試電池最初壽命時通過電壓(或功率密度或電流密度)進行了標準化。如第69頁圖1所示，AEMFC的大多數性能穩定性測試顯示，在運行的前100 h～200 h內，性能顯著下降。只有少數報告顯示性能穩定在300 h以上。在這些情況下，測量到的平均衰減范圍為0.2 mV·h-1～0.5 mV·h-1。這比在相對濕度接近100%、電池溫度為75 ℃的最佳條件下運行的PEMFC的降解率高2個數量級。例如，當電池運行在低加濕水平或電池溫度90 ℃或更高時，質子交換膜燃料電池的降解率可增加數量級[1]。同樣，低加濕水平的AEMFC可能會損害穩定性。

如第69頁圖1所示，AEMFC可能有幾個原因導致性能嚴重下降。其中,主要原因可能是在AEMFC的堿性環境下，作為AEMS和離聚體的陰離子導電聚合物發生了化學降解。在堿性介質中負離子導電基團的化學降解有很好的文獻記載，主要是OH-對陰離子導電聚合物的攻擊，破壞聚合物的離子性質。如圖1所示，這種化學降解會導致AEM負離子電導率降低，增加電池電阻，進而極大地限制電池的耐久性。這種離子材料的化學降解及其對電池性能穩定性的負面影響是當今AEMFC技術面臨的主要挑戰。為了克服這一穩定性挑戰，人們進行了廣泛的研究，許多研究已經開始報道新的聚合物化學物質包括改性和/或新的陽離子官能團的開發，聚合物骨架、聚合物交聯、接枝方法不斷進步，提出新的穩定材料[2-4]。

圖1 H2-AEMFCs的性能穩定性

實際上現在有報道稱，目前用于測定AEM穩定性的實驗可能會導致假陽性穩定性結果，負離子導電離聚體材料的堿穩定性可能比實際情況要好得多。使用一種新的穩定性測試方案。發現，在現有的穩定性試驗條件下，一些季銨鹽陽離子是非常

穩定的，當介質中存在超低含水量時，與運行中的AEMFC陰極的實際情況一樣，陽離子被迅速降解，就像在現場的AEMFC耐久性試驗中所觀察到的那樣。這種超低含水量水化數(λ<4)最近被證實存在于AEMFC的陰極電極上[3]。在不同的電池操作條件下，模擬的AEMFCs的水化數λ<8，甚至低于4。

3 結語

所有報告的性能穩定性數據表明，H2-AEMFC操作限制在1 000 h以內。絕大多數研究報告，性能穩定性低于300 h。由于這種性能限制，大多數測試僅限于較低的電池溫度(主要是60 ℃)。有人認為，這種性能穩定性有限的原因是陰離子導電聚合物的陽離子官能團的化學降解，這是由于AEMFC操作時陰極中存在超低含水量所致。

離聚體穩定性是一個勢在必行的目標，在AEMFC技術中具有最高優先級，因為沒有所需的性能穩定性，幾乎不可能將該技術應用于該領域。