燃料电池的广阔应用前景

先进材料，如燃料电池材料等，是正在兴起的一个重要领域。燃料电池最初直接采用甲醇燃料电池提供便携式能源和平稳电能，它在未来的运输市场具有很大的应用潜力。最主要的燃料电池类型是直接甲醇燃料电池（DMFC），固体高分子型燃料电池（氢基）（PEMFC）、磷酸基燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐和碱性燃料电池。聚合物主要应用在DMFC、PEMFC和PAFC中，图6－10是普通燃料电池膜电极装置的示意图。在这些体系中，聚合物主要用于质子交换膜层，作为催化剂和导电炭黑的黏合剂，用于阴阳极，同时也是导电微粒／纤维的黏合剂，组成双极板以支撑膜电极配件安装到燃料电池堆中，PAFC系统在160～200℃下操作时，其主要聚合物是聚苯并咪唑（与磷酸混合）。聚合物的研究工作主要与质子交换膜相关。“先进膜”是由四氟乙烯和Nafcon®单体合成的聚合物构成的（Nafcon®－杜邦）。在温度较高的氢燃料电池和高渗透率（称为甲醇交叉）的直接甲醇燃料电池中Nafcon®有它的应用局限。3M、苏威和旭硝子公司已有这类聚合物变异体的相关报道，它们都可以提供较高的温度效用。进一步研究含磺酸基的芳烃工程聚合物［聚砜、聚醚砜、Radel R®、聚亚酰胺和聚（芳酮）］后发现，当质子导电率接近Nafcon®时，可获得较低的渗透率和改善的温度性能。用磺化后的芳烃聚合物或用含磺酸基团的单体共聚来合成PEM。在试验操作温度下，所期望获得的PEM离子导电率为0.1S／cm。

图6－10　燃料电池装置膜电极的示意图(www.xing528.com)

在一些文献中提到，磺化PS和磺化PPO的共混物具有高质子电导率和低甲醇穿透率。当混合比例为50／50时，其离子交换能力相同，从而可得到最佳导电率。PS／PPO的混溶性是由磺化混合聚合物来维持的。聚苯并咪唑（PBI）和聚砜（PSF）不可混合，然而，磺化PSF与PBI可相混，并且可用于温度高达200℃的磷酸燃料电池。对用于直接甲醇燃料电池的PEMs进行评估，它由Nafion®和偏氟乙烯／六氟丙烯共混物组成，发现该聚合物的甲醇穿透率有所降低；而其质子电导率也较低。在聚偏二氟乙烯基体中加入苯乙烯磺酸甲基丙烯酸甲酯共聚物，得到的离散域约为100nm，且其质子导电率为10－3S／cm。对作为直接甲醇燃料电池质子交换膜的含硅交联PVOH／PAA膜性能进行评估。

燃料电池组件的另一重要组成部分是双极板，它在电池中起电导通作用，且在特定情况下可以作为排热通道或者气体扩散通道。

迄今为止，已有各种材料被选作双极板材料进行测试，包括涂层金属、不锈钢和聚合物／碳（炭黑／碳纤维／石墨）复合材料。根据不同需求，各体系都有各自的优缺点。聚合物复合材料具有重量轻、成本低和耐腐蚀的优点；然而，要达到高电导率（无论对于平行还是垂直板面）是一个主要问题。聚合物复合材料成本低是由于作为热塑性材料被成型为所需形状，而石墨需要经过机械加工。大多数聚合物复合材料双极板是由单基体聚合物构成的。这里有许多评估聚合物的实验，包括一系列不混溶的导电炭黑和碳纤维。在高浓度单相情况下含碳填料的双连续相结构能够增强导电性。