AEMFCs性能的研究进展

孟凡英 张玉娟 孙震

摘 要：阴离子交换膜燃料电池（Aemfcs）最近受到越来越多的关注，因为它们可以使用非贵金属催化剂，从而大大降低了燃料电池装置成本。直到不久前，AEMFC发展的主要障碍还是高导电阴离子交换膜（AEMS）的可用性；然而，在过去的十年中，这方面的测试表明，新开发的AEMS已经达到了较高的电导率水平，从而获得了令人满意的电池性能。近年来，越来越多的研究报告了AEMFC的性能结果。在过去三年中，取得了新的业绩记录。大多数文献报道的电池性能都是基于H-AEMFCs。本文对AEMFC首次报道以来的电池性能进行了综述。

关键词：阴离子交换膜燃料电池；化学修饰；稳定性

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

1 AEMFC介绍

阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是目前燃料电池研究界的一个焦点。文献中最常见的术语是碱性膜燃料电池（AMFC）、固体（或固态）碱性燃料电池（SAFC）、氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC），碱性聚合物电解质燃料电池（APEFCs）和聚合物电解质碱性燃料电池（PEAFCs）。

自2000年以来在AEMFC领域的出版物数量呈现递增趋势。特别是自2010年以来，出版物数量持续迅速增加。关于这一技术的研究报告共有2000多份，其中大部分是在近5年里发表的，这表明这一技术目前是燃料电池技术的一个蓬勃发展的研究领域。

与成熟的PEMFC 技术相比，AEMFC具有一些潜在的优势。其中特别值得注意的是：

（1）加强氧还原催化，允许使用价格较低、不含铂或贵金属（PGM）的催化剂；

（2）在燃料电池环境下扩展电池和堆叠材料的稳定范围；

（3）除了纯氢以外，还有更广泛的燃料选择；

（4）范围更广的较便宜的聚合物化学（不需要含氟原料）。

2 无铂氢燃料AEMFC的性能研究

与PEMFC（质子交换膜燃料电池）相比，AEMFC的主要优点是增强了ORR（氧还原反应）催化能力，从而可以使用价格较低的无铂催化剂。目前对碱性无铂ORR催化剂的研究已经开始，而AEMFCs用无铂HOR（氢氧化反应）催化剂的研究则是一个尚未探索的领域。虽然PEMFCs中HOR的动力学研究发展是如此之快，以致于阳极上的电池电压损失通常被认为是可以忽略不计的，但碱性AEMFCs的情况并非如此。在AEMFC中，阳极催化是一个挑战，因为在电池的高pH介质中，HOR的动力学很慢。据报道，碳负载Pt电极上的交换电流密度在从低（pH=0）到高pH（pH=13）时大约降低了两个数量级。这也是为什么很少有报告显示在阴极上使用非Pt催化的AEMFC性能的原因之一，非常有限的一些报告显示了AEMFC在无Pt的ORR和HOR催化剂情况下的性能[1]。在AEMFC的文献中，很少有研究报告显示完全不含Pt的电池的性能数据（包括阳极和阴极）[2-4] 。下图总结了在这些研究中的电池性能数据。

从图所示的总结的性能数据中，我们可以区分三组不同的阳极催化剂：功率密度在100 mWcm-2，100 -200 mWcm-2范围的，最后是高于300 mWcm-2的。在第一组中，我们可以看到AEMFC性能是基于无PGM（贵金属）的HOR催化剂[3]。截至目前这些研究是AEMFC性能的唯一报告，其中电池完全不含PGM催化剂。这些开创性的研究对这项技术非常有意义，因为它们首次证明了AEMFCs在不使用任何PGMs的情况下运行的可行性。在第二组中，我们可以看到无铂催化剂。虽然这些电池的性能高于无PGM基HOR催化剂，但它们含有pd催化剂，而且性能的提高不足以证明其使用是合理的。然而在第三组中，新型Pd基双功能催化剂，掺杂Ni或CeO2可显著提高催化剂的HOR活性，在无铂的AEMFC性能上达到新的记录。结果表明，Pd修饰CeO2双功能催化剂具有较高的稳定性，适用于高稳定的无铂AEMFC催化剂[4]。

3 小结

本文回顾了H2-AEMFC的性能。在过去的十年里，电池的性能显著提高，现在已经接近成熟的PEMFC技术。特别是，最近关于无铂AEMFCs的报道显示出了很好的性能，这与基于无铂催化剂的PEMFC的研究结果类似。然而如前所述，本综述中总结的所有研究都在电池测试开始时报告了性能数据。AEMFC性能稳定的工作相对很少。

参考文献：

[1]廖建华等.碳载合金IrM（M=Fe，Ni，Co）纳米颗粒催化酸性与碱性介质中氢氧化反应[J].催化学报，2016（07）：1142-1148.

[2]卢思奇.碱性条件下燃料电池阳极反应电催化剂的制备及性能研究[D].北京化工大学：博士论文，2018（05）.

[3]胡軍等.燃料电池碱性聚合物阴离子膜研究进展[J].应用化工，2018（01）：165-168.

[4]董琴等.燃料电池用碱性聚合物电解质关键技术[J].储能科学与技术，2018（02）：211-220.