質子交換膜燃料電池

質子交換膜燃料電池工作原理

從本質上說，PEMFC是電解水的一個「逆」裝置。電解水過程是利用外加電源使水發生電解，從而產生氫和氧;然而，燃料電池則是氫和氧發生電化學反應產生水，同時生產出電的過程。

所以燃料電池的結構特征與電解水裝置是如出一轍的，它主要由陽極、陰極、電解質和外部電路組成。

PEMFC中陽極為氫電極，陰極為氧電極，陰陽極都含有一定量用來加速電極上發生電化學反應的催化劑，兩極之間以質子交換膜作為電解質。

當氫氣與氧氣分別通入陽極和陰極時，進入陽極的氫氣在催化劑作用下離化成氫離子和電子;電子經外電路轉移到陰極，氫離子則經質子交換膜到達陰極;陰極的氧氣與氫離子及電子反應生成水分子，其中產生的水不會稀釋電解質，卻是隨著尾氣通過電極排出。

因此，PEMFC的電化學反應為：2H2+O2→2H2O

PEMFC關鍵部件

質子交換膜的關鍵部件：質子交換膜(CEM)、電催化劑和雙極板。

1)質子交換膜

PEMFC以CEM為電解質，作為其核心部件，CEM需具備好的穩定性、優異的抗電化學氧化性、高的機械性能和電導率等特征，應用較多的就是杜邦公司生產的商業化全氟磺酸膜(Nafion膜)。

多種聚合物材料包括聚醚砜(PES)、聚醚酮(PEK)、聚苯并咪唑(PBI)、聚酰亞胺(PI)、聚亞苯基，聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚磷腈和聚偏二氟乙烯(PVDF)可作為CEM的主鏈。

此外，已證實聚合物離聚物結構的變化明顯影響著CEM的總體性能。許多文獻報道過主鏈CEM，嵌段CEM，側鏈型CEM，梳型CEM和致密官能化CEM。

增強CEM的陽離子電導率的最有效方法之一是在膜基質中構建相互連接的陽離子導電通道。官能化鏈段和未官能化鏈段之間的親水/疏水區分導致納米級的相分離。

CEM最初是從主鏈結構開發的，其中陽離子基團直接連接到沒有間隔基的聚合物主鏈上。

這種類型的CEM主要通過化學穩定的主鏈的后磺化或磺化單體的共聚制備。聚縮合是通過親核機制實現芳族CEM的共聚反應，除了親核機制，徐銅文等[10]探索了通過親電機制的一條簡易路線，以獲得磺化聚合物。將二芳烴單體和二羧酸酸性單體在溫和條件下的聚?；?，通過一步醚化以高產率合成磺化芳族PEK。

此外，通過提供另一種3,3',4,4'-四氨基單體，PEK/PBI的共聚物可以通過聚?；磻谝诲佒泻铣?。

嵌段聚合物CEM可以分為2類：

(1)典型的嵌段聚合物由具有不同組成的2個或3個鏈段組成;

(2)少數親水和疏水鏈段交替排列以構建多嵌段聚合物。前者可以通過由大分子引發劑引發的苯乙烯的原子轉移自由基聚合(ATRP)制備，也可以通過芳族單體的可控縮聚實現。李南文課題組首先報道了通過利用封端在聚亞芳基醚砜(PAES)上的單酚鹽封端的聚苯基氧化物(PPO)低聚物制備芳族ABS三嵌段共聚物。

受Nafion膜結構的啟發，制備側鏈型CEMs以改善磺酸基團的移動性，其對于構建明確的相分離微觀形態是至關重要的。

在聚合物主鏈上引入側鏈的常規方法是使酚基與1,3-丙磺酸內酯，1,4-丁烷磺內酯或6-溴己基磺酸鈉反應。徐銅文等報道了側鏈型預磺化單體通過聚酰化反應的聚合。

促進微相分離的另一種有效方法是將具有致密聚集的陽離子基團的各種單體引入聚合物主鏈。另外，CEM需要足夠的機械和尺寸穩定性。交聯則是改善這些性能的最佳策略，交聯CEM可以通過加熱容易地實現。

磺酸基團可以在高溫100℃下與芳族化合物的活化氫原子的縮合反應。此外，磺酸基團與苯并咪唑環、咪唑環、吡啶鎓環的酸堿交聯也可有助于改善CEM的機械性能和尺寸穩定性。

2)電催化劑

由于PEMFC在強酸性環境中工作，Pt具有良好的離解吸附分子能力，但由于使用鉑系作為催化劑，限制了它的應用。

電催化劑作為PEMFC的關鍵材料，必須滿足以下特征：優良的催化性能、電化學穩定性、導電性，這使得催化劑嚴重依賴Pt基貴金屬。由于Pt價格昂貴、資源匱乏，降低Pt基催化劑的負載量、探索非鉑催化劑就成為新的研究重點。

金屬Pd被視為最有前景的鉑替代金屬，但Pd基催化劑的催化活性遠比不上鉑基催化劑，仍然無法達到商業化的使用要求。

Xu等通過調節其表面結構和制備Pd合金，合成了含多種活性組分的高分散鈀基合金催化劑，并在催化氧還原反應(ORR)中顯示了可與鉑基催化劑相媲美的效果。

非貴金屬催化劑主要包括金屬-氮-碳催化劑、過渡金屬氧化物、硫屬化合物、金屬氧氮化合物和金屬碳氮化合物。因過渡金屬-氮-碳化合物(M/N/C)具有可觀的ORR催化活性(在酸性介質中)、抗甲醇、低成本、壽命長和環境友好等特點，被認為是最具潛力代替鉑基催化劑的非貴金屬燃料電池催化劑之一。

非金屬催化劑主要是由各種雜原子摻雜的納米碳材料，包括硼摻雜、氮摻雜、磷摻雜、硫摻雜以及多原子的雙摻雜或三摻雜。

丁煒等利用蒙脫土作為扁平納米反應器選擇性制備平面氮摻雜的石墨烯，可有效地提高催化活性位的密度，增加反應界面。但是由于缺少傳質通道，在制備成膜電極(MEA)后其活性位暴露的概率大大降低，影響了電池的性能。

于是在此基礎上，又進一步開發了一種基于形態控制轉換納米聚合物制備高效氧還原碳納米材料催化劑的方法——「NaCl重結晶固型熱解法」。

3)雙極板

雙極板主要起到支撐、阻氣、集流和導電作用。廣泛應用的雙極板有：石墨板、金屬板和復合雙極板。

2.3PEMFC發展中存在的問題

PEMFC在發展過程中存在以下幾類問題：

成本問題：PEMFC的成本問題是多方面引起的，首先，由于其工作條件是強酸性環境，必須使用昂貴的Pt作為催化劑;其次，現今使用較多的電解質膜是性能好的商業Nafion膜，這就極大提高了PEMFC的生產成本。

氫源問題：PEMFC最理想的燃料是純氫，但氫氣是最輕的氣體，其儲存和運輸不易。

壽命問題：目前很多實驗室研究PEMFC發現可達10000h，而實際應用到汽車上時，其壽命直線縮減，使用壽命有待提高。