H2-AEMFC及其穩(wěn)定性綜述

孟凡英， 張玉娟， 孫 震

(1.張家口職業(yè)技術學院，河北 張家口 075000；2.張家口市橋東區(qū)姚家莊鎮(zhèn)人民政府，河北 張家口 075000)

引 言

燃料電池由于其環(huán)境友好和較高的能量轉換效率而廣受關注，限制燃料電池產(chǎn)業(yè)化應用最大的一個因素就是成本問題。質子交換膜燃料電池(PEMFC)約一半成本來自于催化劑鉑的使用，因此，使用非鉑催化劑成為了燃料電池領域需要解決的問題之一。陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)因此應運而生。

1 AEMFCs的獨特特征

(1)

OH-被輸送到陽極，當氫被用作燃料時，發(fā)生式(2)氧化反應：

(2)

在整個反應中，PEMFC和AEMFC都產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品。然而與PEMFC技術不同的是，AEMFC中的水是在陽極產(chǎn)生的，同時水又是陰極上的反應物。這種獨特的水傳輸情景，再加上AEMFCs中的高堿性介質，代表了AEMFCs的一個獨特特征。

2 H2-AEMFC性能穩(wěn)定性

越來越多的研究成功地證明了因為這項技術開發(fā)的改進材料制成的電池具有良好的性能。然而盡管AEMFC性能測試數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表了近百份報告，但對電池性能穩(wěn)定性的研究卻很少。

在恒流密度或恒定電壓下AEMFC的操作試驗報道了其性能穩(wěn)定性研究，將結果的性能穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表示為單元電壓與時間的關系(見第69頁圖1a))、單元電流密度或單元功率密度與時間的關系(圖1b))。為了將所有文獻數(shù)據(jù)匯總到圖中并便于比較，報告的性能穩(wěn)定數(shù)據(jù)在每次測試電池最初壽命時通過電壓(或功率密度或電流密度)進行了標準化。如第69頁圖1所示，AEMFC的大多數(shù)性能穩(wěn)定性測試顯示，在運行的前100 h～200 h內，性能顯著下降。只有少數(shù)報告顯示性能穩(wěn)定在300 h以上。在這些情況下，測量到的平均衰減范圍為0.2 mV·h-1～0.5 mV·h-1。這比在相對濕度接近100%、電池溫度為75 ℃的最佳條件下運行的PEMFC的降解率高2個數(shù)量級。例如，當電池運行在低加濕水平或電池溫度90 ℃或更高時，質子交換膜燃料電池的降解率可增加數(shù)量級[1]。同樣，低加濕水平的AEMFC可能會損害穩(wěn)定性。

如第69頁圖1所示，AEMFC可能有幾個原因導致性能嚴重下降。其中,主要原因可能是在AEMFC的堿性環(huán)境下，作為AEMS和離聚體的陰離子導電聚合物發(fā)生了化學降解。在堿性介質中負離子導電基團的化學降解有很好的文獻記載，主要是OH-對陰離子導電聚合物的攻擊，破壞聚合物的離子性質。如圖1所示，這種化學降解會導致AEM負離子電導率降低，增加電池電阻，進而極大地限制電池的耐久性。這種離子材料的化學降解及其對電池性能穩(wěn)定性的負面影響是當今AEMFC技術面臨的主要挑戰(zhàn)。為了克服這一穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，人們進行了廣泛的研究，許多研究已經(jīng)開始報道新的聚合物化學物質包括改性和/或新的陽離子官能團的開發(fā)，聚合物骨架、聚合物交聯(lián)、接枝方法不斷進步，提出新的穩(wěn)定材料[2-4]。

圖1 H2-AEMFCs的性能穩(wěn)定性

實際上現(xiàn)在有報道稱，目前用于測定AEM穩(wěn)定性的實驗可能會導致假陽性穩(wěn)定性結果，負離子導電離聚體材料的堿穩(wěn)定性可能比實際情況要好得多。使用一種新的穩(wěn)定性測試方案。發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的穩(wěn)定性試驗條件下，一些季銨鹽陽離子是非常

穩(wěn)定的，當介質中存在超低含水量時，與運行中的AEMFC陰極的實際情況一樣，陽離子被迅速降解，就像在現(xiàn)場的AEMFC耐久性試驗中所觀察到的那樣。這種超低含水量水化數(shù)(λ<4)最近被證實存在于AEMFC的陰極電極上[3]。在不同的電池操作條件下，模擬的AEMFCs的水化數(shù)λ<8，甚至低于4。

3 結語

所有報告的性能穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表明，H2-AEMFC操作限制在1 000 h以內。絕大多數(shù)研究報告，性能穩(wěn)定性低于300 h。由于這種性能限制，大多數(shù)測試僅限于較低的電池溫度(主要是60 ℃)。有人認為，這種性能穩(wěn)定性有限的原因是陰離子導電聚合物的陽離子官能團的化學降解，這是由于AEMFC操作時陰極中存在超低含水量所致。

離聚體穩(wěn)定性是一個勢在必行的目標，在AEMFC技術中具有最高優(yōu)先級，因為沒有所需的性能穩(wěn)定性，幾乎不可能將該技術應用于該領域。