質子交換膜燃料電池的關鍵技術

李猷民 馮迎春

摘要 以質子交換膜的燃料電池為研究對象，分析PEMFC的工作原理和主要方法，最后總結質子交換膜燃料電池當前在我國的研究進展。選擇經濟適用的雙極板材料、適合的催化劑和改善先進的制備工藝，同時提高燃料的安全性與實用性，能有效提高電池的壽命。本研究以質子交換膜燃料電池的發展為依據，調查分析其特點和工作原理，為PEMFC的關鍵技術的研究奠定了基礎。

【關鍵詞】質子交換膜 燃料電池 催化劑 雙極板

目前，國際市場上常用的是美國杜邦公司的一種Nafion質子交換膜，它的化學性質相對穩定，但制作困難，成本很高，對溫度和含水量的要求也很高，所以加拿大EcolePolytechniqe公司生產了NASTA、NASTHI和NASTATHI系列膜，主要是把Nafion樹脂與雜多酸及噻吩制成一種混合膜，應用效果較好。本文主要介紹PEMFC的特點和工作原理、主要材料，同時分析當前我國PEMFC的研究進展。

1 PEMFC的鮮明特點及其工作原理

1.1 PEMFC的特點

優點：PEMFC的能量轉換效率很高，幾乎達到60%-80%;工作過程中幾乎不產生污染，無噪音，可靠性好，組裝維修簡單方便快捷;壽命長;燃料具有多樣性，適應環境要求的空氣排放標準;極大程度提高了國家供電系統的智能化水平、家庭的節能水平和環保效益。

缺點：燃料種類單一，要求燃料具有較高的安全性，燃料的生產、儲存和運輸過程復雜;燃料電池要求很高，需要高質量密封，容易導致制造過程困難;造價很高，PEMFC的催化劑主要是貴金屬鉑（Pt），使用過程中會因c0的干擾而失效;PEMFC使用過程中必須配備輔助電池系統才可以持續發電，但缺點主要是不能充電和回收利用。

1.2 PEMFC的工作原理

PEMFC的燃料有各種氣體，市場常見的有氫氣、甲醇和聯氨等氣體。當燃料是氫氣時，陽極發生催化劑作用，氫分子經過解離成為帶正電的質子和帶負電的電子，質子和電子分別通過質子交換膜和外電路到達陰極，電子經電子形成電流，陰極催化劑作用在氧氣上，使電池另一端與氫離子與電子反應咸水。化學反應式為1/202+ H2→H20。

2 PEMFC的研究技術

2.1 質子交換膜

全氟磺酸型的質子交換膜是當今國際市場中應用最為廣泛的一種。主要有Du Pont公司的Nafion系列膜和美國DOW公司的xusB204膜等類型。主要特點是：這種膜的使用壽命較長，使用后的衰退過程緩慢，現階段這種質子交換膜使用效果良好。但這種膜屬于高分子膜，其制作工藝繁瑣，導電性隨水分含量的變化而變化，使燃料電池的水管理變得復雜。加拿大Ballard公司開始研發了BAM 3G混合膜，這種混合膜具有熱穩定性、化學穩定性和高含水量等特點，替代以前的質子交換膜取得更好的應用效果。

2.2 催化劑

催化劑是燃料電池中最重要的部分，催化劑的特點決定了質子交換的反應速率和使用效果。碳載鉑、鉑合金和鉑氧化物及非鉑系是主要的催化劑類型。

碳載鉑（Pt/C）催化物是當前最流行的催化劑，最早的Pt/C催化劑中pt含量高達4mg/cm2，隨著科技日益興起，pt擔載量逐漸下降至0.4mg/cm2，雖然鉑的物理和化學性質相對穩定，活性高，但由于鉑屬于貴金屬，我國產量稀少，不適合長期使用。巴拿德公司研發一項可以將鉑載量下降至0.02mg/cm2的技術，可以暫時緩解鉑不足的問題。

由于Pt和Ru的作用能使PEMFC在c0下持續工作一段時間，使之具有高度的催化性和C0抗性。姜魯化[4]等研究發現在催化劑中加入Sn可以有效提高Pt對C2H50H的催化活性。

鉑氧化物及非鉑系催化物是周帥林等研究出的抗毒性和穩定性良好的催化劑，但只能在130℃以下進行工作。

2.3 雙極板

PEMFC的雙極板材料有石墨、金屬和復合材料三種。

目前，石墨材料是雙極板中最常用的材料，是將碳粉或石墨粉與樹脂混合后加壓，之后進行高溫石墨化。這種材質的雙極板耐腐蝕，導電性好，但脆性大，強度低，生產中可以采用機壓注塑和凝膠注模的方法增加其強度。導電導熱性最好的是金屬雙極板，加工簡單，但其質量太大，易腐蝕，影響電池功能，必須對金屬表面進行加工處理，削弱腐蝕效果，主要處理方法有氣相沉積、電鍍、化學鍍和絲網印刷等多種方法。主要的研究方向是熱塑性高分子耐腐蝕的導電材料制成的復合雙極板，在高溫下擠壓成型，特點是低成本、耐腐蝕。近年新興一種合成高性能碳石墨的首選復合性原材料一中間相碳微球，是復合材料中較好的類型。

3 當前我國PEMFC的研究進展狀況

質子交換膜燃料電池逐漸成為汽車動力的主要部件，豐田等各種許多汽車種類都使用以PEMFC為動力源的汽車，在航空領域、水下領域和家庭電源領域，燃料電池也正在逐漸推廣。

上世紀末期，我國的PEMFC技術在國家科技部和中科院的支持下取得了不錯的效果，中科院化學研究所的燃料電池性能屬于國際先鋒水平，天津大學和清華大學等許多高等院校以及我國的許多民營高科技企業都參加了PEMFC的研發。經過近二三十年發展，我國與國際水平的差距逐漸縮小，燃料電池的技術逐漸成熟，已經具備自己完整的知識產權和開發能力。

4 結束語

質子交換膜燃料電池以它高效綠色環保的特點逐漸變成應用最廣的資源，用它的安全性和實用性吸引著人們的開發，逐漸緩解世界上能源短缺的現象。所以，需要大批資金和科研人員的共同努力，PEMFC的開發迫在眉睫，推廣和應用也要同步發展。

參考文獻

[1]彭躍進，質子交換膜燃料電池關鍵技術研究[D].西南交通大學，2016.

[2]王誠，趙波，張劍波.質子交換膜燃料電池膜電極的關鍵技術[J].科技導報，2016，34 （06）： 62-68.

[3]程康，辛陽珍，溫爾康，質子交換膜燃料電池關鍵技術的研究進展[J].汽車工程師，2011（05）：15 -18.

[4]劉豐峰，盧玫.質子交換膜燃料電池研究進展[J].通信電源技術，2009，26 （02）： 25-28.