聚合物电解质膜燃料电池技术

聚合物电解质膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC），又称为质子交换膜燃料电池，由一种质子导体聚合电解膜（通常是一种氟化磺酸基聚合物）构成。这种膜不是通常意义上的导体，由于聚合物膜是酸性的，因此这种膜不传导电子，只传导质子，即氢离子的优良导体［14］。同时它也是分离膜，能有效防止两极气体接触发生化学反应。

图4-4　质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池由纯氢和作为氧化剂的氧或空气一起供给燃料。其工作原理相当于水电解的“逆”装置［15］，工作原理如图4-4所示，单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所。其两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，一般采用铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，质子交换膜为电解质，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。

导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子，完成阳极反应，阳极发生的电化学反应为H2　—→2H++2e-。质子交换膜燃料电池采用的全氟磺酸膜是一种酸性电解质，传导的离子为质子，阳极氢分子分解的质子穿过膜到达阴极催化剂层，电子则由集流板收集，通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。在电池阴极，氧气通过集流板（双极板）经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧气与透过膜的氢离子（即质子）及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应，阴极发生的电化学反应为：；所以总的电池电化学反应为：+H2　—→H2 O。而电极反应生成的水大部分以水蒸气态移出燃料电池，一小部分在压力差的作用下通过膜向阳极扩散。上述过程是理想的工作过程，实际上，在整个反应过程中会有很多中间步骤和中间产物的存在。而PEMFC的优点则在于：

（1）在所有燃料电池类型中功率密度最高；(www.xing528.com)

（2）有着很好的开关能力，寿命也相对较长；

（3）低温度工作环境和较轻的质量使之适合便携式应用；

（4）无腐蚀性、可靠性高、内部构造简单，电池模块呈堆垒式层叠结构使得电池组组装和维护很方便［16］。

当然这种燃料电池也有着许多不足，比如需要使用昂贵的铂催化剂以及聚合物薄膜和其他配件；需要良好的动态水管理；对CO和S的容忍度很差。

膜电极是PEMFC最为关键的部件，其性能的好坏直接决定着PEMFC性能的好坏，因此，制备高性能高功率密度的膜电极对于促进PEMFC的商业化进程具有举足轻重的作用。基于固体电解质的膜电极具有类似三明治的结构，它包括固体电解质（质子交换膜）、阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层、阴极和阳极气体扩散层上的微孔层，将质子交换膜、催化层和气体扩散层组装在一起就构成了膜电极。通常将涂覆有阴极和阳极催化剂层的质子交换膜称为“三合一”膜电极；把包括有阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层和质子交换膜的膜电极称为“五合一”膜电极或者“七合一”膜电极（将微孔层计入）。膜电极是发生电化学反应以及产生电能的部件，是燃料电池的核心部件，膜电极的性能除了与材料（催化剂、质子交换膜、碳纸、黏结剂等）有关外，还取决于制备技术［17］。质子交换膜、催化层和气体扩散层是膜电极的重要组成单元。阳极侧发生的过程包括氢气（燃料）的扩散、质子的生成、水合及传递、电子

的运动等过程，阴极侧则存在氧气的扩散、氧分子的还原和与质子的结合过程、水的生成、反渗透及排出、质子及电子的运动等。简单来说，燃料电池膜电极上通常同时存在气体的扩散、电化学反应、电子及质子的生成及运动、水的生成、反渗透及扩散等多种过程，所以对于膜电极中催化层、气体扩散层的结构常常有很高的要求，尤其是对阴极。因此，通过改进膜电极的质子交换膜、催化层、气体扩散层的性能实现对膜电极性能的提升一直以来都是膜电极研究的重要课题。提升膜电极的性能及功率密度可以减小燃料电池体积，有效降低其成本。近年来随着材料及制备技术两个方面的进步，膜电极的功率密度、耐久性等均取得了很大的进步，膜电极的功率密度已从几年前的0.35W/cm2@0.7V的水平提升到了目前的0.8～1.0W/cm2@0.7V的水平，电极稳定性及耐久性也得到了大幅度提升。丰田公司的燃料电池的体积功率密度可高达3.2kW/L，意味着该公司的膜电极的功率密度达到了极高的水平。在此背景下，国内外近年来在高性能、高功率密度的膜电极以及在降低铂载量和免增湿膜电极等方面开展了大量的研究工作，取得了许多重要的进展。据报道，阿拉莫斯实验室（LANL）试验的一些单电池中，膜电极上的铂载量已降到0.05mg/cm2。膜电极上的铂载量减少，可直接降低FC成本，加快商品化进程。