質子交換膜燃料電池研究

章暉

(海裝天津局，天津 300384)

質子交換膜燃料電池研究

章暉

(海裝天津局，天津 300384)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)因無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，可室溫快速啟動，在電動車、便攜式電子設備、固定電站和軍用特種電源等方面都有廣闊的應用前景。研究了質子交換膜燃料電池實用化的技術及機理，對其結構缺陷進行了分析，認為開拓新的催化劑體系，合成出活性更高、穩定性更好的催化劑對于燃料電池來說意義重大。

質子交換膜燃料電池；燃料電池車；催化劑

質子交換膜燃料電池因無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，可室溫快速啟動，在電動車、便攜式電子設備、固定電站和軍用特種電源等方面都有廣闊的應用前景。隨著各國政府和研究機構的大力投入，PEMFC技術取得了突飛猛進的發展，是目前最有希望進入商業化生產的一種燃料電池。然而要順利實現商業化，PEMFC不僅要滿足成本方面的要求，還必須具備良好的穩定性和壽命。

圖1 質子交換膜燃料電池的結構示意圖

1 質子交換膜燃料電池實用化的技術開發

質子交換膜燃料電池預計將在普及期 (2020～2030年)達到以下技術水平：燃料電池汽車向一般汽車一樣能跑10萬千米且價格是目前的幾十分之一以下；家庭用燃料電池系統如一般家電長壽命一樣耐用且成本是現在的十分之一。按照這一目標，實施各項技術開發。(1)基礎的共同課題相關技術的開發：產業和科研多數單位聯合參與對共同的基礎課題如分析電堆及電池結構(如圖1所示)缺陷，大幅度提高壽命，降低成本，提高能量轉換效率；(2)關鍵技術開發：構成燃料電池系統電解質膜的開發(提高壽命，增強高溫/低加濕下的傳導性能，低成本化，明確結構的缺陷)；膜電極開發(提高鉑的利用率，降低其使用量，尋找新的價格較低的非貴金屬催化劑，耐高濃度CO陽極接觸材料的開發，耐停啟及電位循環性能的提高，明確電池結構的劣化點)；分離層的改進(開發成輕、薄、低成本型，提高導電、導熱性，改進路線設計和耐腐蝕性)；運轉條件的開發(擴大運行允許溫度及濕度范圍，提高低溫加濕條件下的運行性能，提高高溫下能量轉換效率，-40～-30℃低溫下能正常啟動)；系統整體的開發(輔助設備的低成本及高壽命化，催化劑活性面積的高壽命及高效率化，開發替代鉑的催化劑)；(3)實用化技術開發：電堆、膜電極組件、電催化劑等材料部件的生產及大量生產技術開發；(4)下一代新技術開發：推進新的高性能材料的探索，鈉米級分子結構的利用及設計技術，燃料電池及電堆內發生的各種反應物質移動現象科學地詳解。

2 PEMFC結構缺陷分析

結構缺陷的分析：影響PEMFC壽命的因素很多，催化劑活性面積損失、電解質膜的老化或污染、電極結構破壞和氣體擴散層憎水性降低等都會縮短PEMFC的壽命。PEMFC所用的催化劑通常為碳黑擔載鉑(Pt/C)催化劑，其有效活性表面積在燃料電池的運行過程中會逐漸降低，這被認為是決定PEMFC壽命的關鍵因素。

高活性及高壽命的催化劑開發：實行高活性及低溶解性的鉑合金催化劑、高電位安定性載體及高活性、高壽命、低S/C的改進型催化劑的開發和評價。

開發溫度范圍廣及低濕度條件下的電解質膜：針對燃料電池車適用于寬的溫度范圍及低濕度條件，開發高質子電導率及高形狀安定性電解質膜及高耐氧化及高耐加水分解電解質膜，改善高溫低濕度及低溫條件下的性能。

燃料電池車用質子交換膜(MEA)的高性能及高穩定性研究：針對燃料電池車啟動條件下，高催化利用率的質子交換膜及對溫度循環性能穩定的質子交換膜進行開發。電解質膜、催化劑、催化劑層的示意圖如圖2所示。中鉑的溶解要明顯快于陽極，而且，鉑的氧化和還原循環會加速鉑催化劑的溶解，因此，在波動電位條件下鉑催化劑的溶解更為嚴重。此外，工作溫度和濕度的升高、氧氣的存在等也會加速鉑的溶解。

圖2 電解質膜、催化劑、催化劑層的示意圖

PEMFC所用的Pt/C催化劑的鉑顆粒粒徑一般在2～5 nm。這么小的鉑顆粒具有非常高的表面能，當相鄰的鉑顆粒距離不大時，很容易發生聚集形成大的鉑顆粒，降低催化劑的活性表面積。

3.2 高穩定性催化劑載體

除了對碳材料進行石墨化處理外，硼摻雜的金剛石(BDD)材料憑借良好的熱穩定性、化學穩定性和耐腐蝕能力也被考慮用作鉑催化劑的載體材料。研究發現，BDD載體材料的穩定性比碳黑材料要高很多，而且以這種材料為載體的鉑催化劑對甲醇氧化等反應表現出了良好的催化活性。許多金屬氧化物具有良好的抗氧化能力，而且在較低溫度下就具有良好的電子導電性，因此可以用作鉑催化劑的載體材料。碳化鎢材料(WC )由于具有高硬度、高氧化電阻、良好的熱電傳導能力而獲得了廣泛的應用，在用作PEMFC催化劑載體方面也受到了關注。

3.3 工作條件和環境的優化

3 PEMFC機理的研究

提高電極催化劑的性能,同時考慮電極潛在費用,確立電極催化劑的電化學反應速度測定手段,電極催化劑及載體的構造與催化劑活性、壽命相關的反應機理的明確把握。

3.1 鉑的氧化、溶解和聚集

鉑是一種化學性質非常穩定的貴金屬，一般情況下與普通的酸、堿和氧氣等都不發生反應，但是根據電位-pH圖，在PEMFC的工作環境下，特別是在陰極的高電位條件下，鉑并不非常穩定，表面會生成氧化物，其可能的氧化機理如下：

Pt+H2O→PtOH+H++e-→PtOH→PtO+H++e-

許多研究已經證實，在PEMFC的工作環境下，陰極鉑的溶解很容易發生，而且是影響鉑催化劑穩定性的關鍵因素之一。鉑的溶解速率與很多因素有關。工作電位是影響鉑溶解速率高低的主要因素，電位越高，鉑的溶解速率越大，因此陰極

工作電位也是影響鉑催化劑穩定性的關鍵因素之一。眾多研究已經證實，隨著電位升高，鉑的氧化和溶解明顯增加，而且一定范圍內的電位波動會進一步加速鉑的溶解過程。一般來講，在PEMFC開路和啟動、停止等暫態條件下會出現局部高電位和電位波動，可能加速鉑催化劑的性能衰減，可向電極中通入一定的惰性氣體以降低高電位，從而提高鉑催化劑的穩定性。

提高電解質的性能，同時考慮電解質材料潛在費用,明確實際運轉條件下精密結構的觀察方法，把握質子傳導、氣體透過性及耐腐性之間的關系，明確物質移動及反應機理。

提高電池構成要素及界面間物質移動速度，明確催化劑、氣體擴散層在實際操作環境下的結構,定量把握對物質移動、熱電傳導的影響，必須明確物質移動的機理。

4 結論

燃料電池的發展方向主要在于獲得高效率和高比能量。探索新的合成技術，開拓新的催化劑體系，合成出活性更高、穩定性更好的催化劑對于燃料電池來說依然意義重大[1-2]。

[1]肖鋼.燃料電池技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]徐曼珍.新型蓄電池原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

《燃料電池基礎》

燃料電池（MFC）是21世紀最有希望的新一代綠色能源動力系統，有助于解決能源危機和環境污染等問題。本書是一本淺顯易懂的教材和專業入門書籍，涵蓋了關于燃料電池的基礎科學與工程學。本書側重于基本原理，簡單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨特的優勢等。

Research on proton exchange membrane fuel cell

ZHANG Hui

Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)has an extensive application respective in EV,portable electronic device,stationary power plant and special power with the advantages of high energy conversion efficiency and quick startup at ambient temperature.The technology and mechanism of PEMFC was researched,and its structure defects were analyzed. It is concluded that to research novel catalysts with high activity and excellent stability is very important for the future fuel cell.

proton exchange membrane fuel cell(PEMFC);fuel cell vehicle;catalyst

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0763-02

2015-03-08

章暉(1967—)，男，浙江省人，碩士，主要研究方向為軍工產品質量監督和管理。