质子交换膜燃料电池的关键技术

李猷民 冯迎春

摘要 以质子交换膜的燃料电池为研究对象，分析PEMFC的工作原理和主要方法，最后总结质子交换膜燃料电池当前在我国的研究进展。选择经济适用的双极板材料、适合的催化剂和改善先进的制备工艺，同时提高燃料的安全性与实用性，能有效提高电池的寿命。本研究以质子交换膜燃料电池的發展为依据，调查分析其特点和工作原理，为PEMFC的关键技术的研究奠定了基础。

【关键词】质子交换膜 燃料电池 催化剂 双极板

目前，国际市场上常用的是美国杜邦公司的一种Nafion质子交换膜，它的化学性质相对稳定，但制作困难，成本很高，对温度和含水量的要求也很高，所以加拿大EcolePolytechniqe公司生产了NASTA、NASTHI和NASTATHI系列膜，主要是把Nafion树脂与杂多酸及噻吩制成一种混合膜，应用效果较好。本文主要介绍PEMFC的特点和工作原理、主要材料，同时分析当前我国PEMFC的研究进展。

1 PEMFC的鲜明特点及其工作原理

1.1 PEMFC的特点

优点：PEMFC的能量转换效率很高，几乎达到60%-80%;工作过程中几乎不产生污染，无噪音，可靠性好，组装维修简单方便快捷;寿命长;燃料具有多样性，适应环境要求的空气排放标准;极大程度提高了国家供电系统的智能化水平、家庭的节能水平和环保效益。

缺点：燃料种类单一，要求燃料具有较高的安全性，燃料的生产、储存和运输过程复杂;燃料电池要求很高，需要高质量密封，容易导致制造过程困难;造价很高，PEMFC的催化剂主要是贵金属铂（Pt），使用过程中会因c0的干扰而失效;PEMFC使用过程中必须配备辅助电池系统才可以持续发电，但缺点主要是不能充电和回收利用。

1.2 PEMFC的工作原理

PEMFC的燃料有各种气体，市场常见的有氢气、甲醇和联氨等气体。当燃料是氢气时，阳极发生催化剂作用，氢分子经过解离成为带正电的质子和带负电的电子，质子和电子分别通过质子交换膜和外电路到达阴极，电子经电子形成电流，阴极催化剂作用在氧气上，使电池另一端与氢离子与电子反应咸水。化学反应式为1/202+ H2→H20。

2 PEMFC的研究技术

2.1 质子交换膜

全氟磺酸型的质子交换膜是当今国际市场中应用最为广泛的一种。主要有Du Pont公司的Nafion系列膜和美国DOW公司的xusB204膜等类型。主要特点是：这种膜的使用寿命较长，使用后的衰退过程缓慢，现阶段这种质子交换膜使用效果良好。但这种膜属于高分子膜，其制作工艺繁琐，导电性随水分含量的变化而变化，使燃料电池的水管理变得复杂。加拿大Ballard公司开始研发了BAM 3G混合膜，这种混合膜具有热稳定性、化学稳定性和高含水量等特点，替代以前的质子交换膜取得更好的应用效果。

2.2 催化剂

催化剂是燃料电池中最重要的部分，催化剂的特点决定了质子交换的反应速率和使用效果。碳载铂、铂合金和铂氧化物及非铂系是主要的催化剂类型。

碳载铂（Pt/C）催化物是当前最流行的催化剂，最早的Pt/C催化剂中pt含量高达4mg/cm2，随着科技日益兴起，pt担载量逐渐下降至0.4mg/cm2，虽然铂的物理和化学性质相对稳定，活性高，但由于铂属于贵金属，我国产量稀少，不适合长期使用。巴拿德公司研发一项可以将铂载量下降至0.02mg/cm2的技术，可以暂时缓解铂不足的问题。

由于Pt和Ru的作用能使PEMFC在c0下持续工作一段时间，使之具有高度的催化性和C0抗性。姜鲁化[4]等研究发现在催化剂中加入Sn可以有效提高Pt对C2H50H的催化活性。

铂氧化物及非铂系催化物是周帅林等研究出的抗毒性和稳定性良好的催化剂，但只能在130℃以下进行工作。

2.3 双极板

PEMFC的双极板材料有石墨、金属和复合材料三种。

目前，石墨材料是双极板中最常用的材料，是将碳粉或石墨粉与树脂混合后加压，之后进行高温石墨化。这种材质的双极板耐腐蚀，导电性好，但脆性大，强度低，生产中可以采用机压注塑和凝胶注模的方法增加其强度。导电导热性最好的是金属双极板，加工简单，但其质量太大，易腐蚀，影响电池功能，必须对金属表面进行加工处理，削弱腐蚀效果，主要处理方法有气相沉积、电镀、化学镀和丝网印刷等多种方法。主要的研究方向是热塑性高分子耐腐蚀的导电材料制成的复合双极板，在高温下挤压成型，特点是低成本、耐腐蚀。近年新兴一种合成高性能碳石墨的首选复合性原材料一中间相碳微球，是复合材料中较好的类型。

3 当前我国PEMFC的研究进展状况

质子交换膜燃料电池逐渐成为汽车动力的主要部件，丰田等各种许多汽车种类都使用以PEMFC为动力源的汽车，在航空领域、水下领域和家庭电源领域，燃料电池也正在逐渐推广。

上世纪末期，我国的PEMFC技术在国家科技部和中科院的支持下取得了不错的效果，中科院化学研究所的燃料电池性能属于国际先锋水平，天津大学和清华大学等许多高等院校以及我国的许多民营高科技企业都参加了PEMFC的研发。经过近二三十年发展，我国与国际水平的差距逐渐缩小，燃料电池的技术逐渐成熟，已经具备自己完整的知识产权和开发能力。

4 结束语

质子交换膜燃料电池以它高效绿色环保的特点逐渐变成应用最广的资源，用它的安全性和实用性吸引着人们的开发，逐渐缓解世界上能源短缺的现象。所以，需要大批资金和科研人员的共同努力，PEMFC的开发迫在眉睫，推广和应用也要同步发展。

参考文献

[1]彭跃进，质子交换膜燃料电池关键技术研究[D].西南交通大学，2016.

[2]王诚，赵波，张剑波.质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术[J].科技导报，2016，34 （06）： 62-68.

[3]程康，辛阳珍，温尔康，质子交换膜燃料电池关键技术的研究进展[J].汽车工程师，2011（05）：15 -18.

[4]刘丰峰，卢玫.质子交换膜燃料电池研究进展[J].通信电源技术，2009，26 （02）： 25-28.