AEMFCs性能的研究進展

孟凡英 張玉娟 孫震

摘 要：陰離子交換膜燃料電池（Aemfcs）最近受到越來越多的關注，因為它們可以使用非貴金屬催化劑，從而大大降低了燃料電池裝置成本。直到不久前，AEMFC發展的主要障礙還是高導電陰離子交換膜（AEMS）的可用性；然而，在過去的十年中，這方面的測試表明，新開發的AEMS已經達到了較高的電導率水平，從而獲得了令人滿意的電池性能。近年來，越來越多的研究報告了AEMFC的性能結果。在過去三年中，取得了新的業績記錄。大多數文獻報道的電池性能都是基于H-AEMFCs。本文對AEMFC首次報道以來的電池性能進行了綜述。

關鍵詞：陰離子交換膜燃料電池；化學修飾；穩定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.027

1 AEMFC介紹

陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）是目前燃料電池研究界的一個焦點。文獻中最常見的術語是堿性膜燃料電池（AMFC）、固體（或固態）堿性燃料電池（SAFC）、氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC），堿性聚合物電解質燃料電池（APEFCs）和聚合物電解質堿性燃料電池（PEAFCs）。

自2000年以來在AEMFC領域的出版物數量呈現遞增趨勢。特別是自2010年以來，出版物數量持續迅速增加。關于這一技術的研究報告共有2000多份，其中大部分是在近5年里發表的，這表明這一技術目前是燃料電池技術的一個蓬勃發展的研究領域。

與成熟的PEMFC 技術相比，AEMFC具有一些潛在的優勢。其中特別值得注意的是：

（1）加強氧還原催化，允許使用價格較低、不含鉑或貴金屬（PGM）的催化劑；

（2）在燃料電池環境下擴展電池和堆疊材料的穩定范圍；

（3）除了純氫以外，還有更廣泛的燃料選擇；

（4）范圍更廣的較便宜的聚合物化學（不需要含氟原料）。

2 無鉑氫燃料AEMFC的性能研究

與PEMFC（質子交換膜燃料電池）相比，AEMFC的主要優點是增強了ORR（氧還原反應）催化能力，從而可以使用價格較低的無鉑催化劑。目前對堿性無鉑ORR催化劑的研究已經開始，而AEMFCs用無鉑HOR（氫氧化反應）催化劑的研究則是一個尚未探索的領域。雖然PEMFCs中HOR的動力學研究發展是如此之快，以致于陽極上的電池電壓損失通常被認為是可以忽略不計的，但堿性AEMFCs的情況并非如此。在AEMFC中，陽極催化是一個挑戰，因為在電池的高pH介質中，HOR的動力學很慢。據報道，碳負載Pt電極上的交換電流密度在從低（pH=0）到高pH（pH=13）時大約降低了兩個數量級。這也是為什么很少有報告顯示在陰極上使用非Pt催化的AEMFC性能的原因之一，非常有限的一些報告顯示了AEMFC在無Pt的ORR和HOR催化劑情況下的性能[1]。在AEMFC的文獻中，很少有研究報告顯示完全不含Pt的電池的性能數據（包括陽極和陰極）[2-4] 。下圖總結了在這些研究中的電池性能數據。

從圖所示的總結的性能數據中，我們可以區分三組不同的陽極催化劑：功率密度在100 mWcm-2，100 -200 mWcm-2范圍的，最后是高于300 mWcm-2的。在第一組中，我們可以看到AEMFC性能是基于無PGM（貴金屬）的HOR催化劑[3]。截至目前這些研究是AEMFC性能的唯一報告，其中電池完全不含PGM催化劑。這些開創性的研究對這項技術非常有意義，因為它們首次證明了AEMFCs在不使用任何PGMs的情況下運行的可行性。在第二組中，我們可以看到無鉑催化劑。雖然這些電池的性能高于無PGM基HOR催化劑，但它們含有pd催化劑，而且性能的提高不足以證明其使用是合理的。然而在第三組中，新型Pd基雙功能催化劑，摻雜Ni或CeO2可顯著提高催化劑的HOR活性，在無鉑的AEMFC性能上達到新的記錄。結果表明，Pd修飾CeO2雙功能催化劑具有較高的穩定性，適用于高穩定的無鉑AEMFC催化劑[4]。

3 小結

本文回顧了H2-AEMFC的性能。在過去的十年里，電池的性能顯著提高，現在已經接近成熟的PEMFC技術。特別是，最近關于無鉑AEMFCs的報道顯示出了很好的性能，這與基于無鉑催化劑的PEMFC的研究結果類似。然而如前所述，本綜述中總結的所有研究都在電池測試開始時報告了性能數據。AEMFC性能穩定的工作相對很少。

參考文獻：

[1]廖建華等.碳載合金IrM（M=Fe，Ni，Co）納米顆粒催化酸性與堿性介質中氫氧化反應[J].催化學報，2016（07）：1142-1148.

[2]盧思奇.堿性條件下燃料電池陽極反應電催化劑的制備及性能研究[D].北京化工大學：博士論文，2018（05）.

[3]胡軍等.燃料電池堿性聚合物陰離子膜研究進展[J].應用化工，2018（01）：165-168.

[4]董琴等.燃料電池用堿性聚合物電解質關鍵技術[J].儲能科學與技術，2018（02）：211-220.