AEMFCs性能的研究進(jìn)展

孟凡英 張玉娟 孫震

摘 要：陰離子交換膜燃料電池（Aemfcs）最近受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢允褂梅琴F金屬催化劑，從而大大降低了燃料電池裝置成本。直到不久前，AEMFC發(fā)展的主要障礙還是高導(dǎo)電陰離子交換膜（AEMS）的可用性；然而，在過去的十年中，這方面的測(cè)試表明，新開發(fā)的AEMS已經(jīng)達(dá)到了較高的電導(dǎo)率水平，從而獲得了令人滿意的電池性能。近年來，越來越多的研究報(bào)告了AEMFC的性能結(jié)果。在過去三年中，取得了新的業(yè)績記錄。大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的電池性能都是基于H-AEMFCs。本文對(duì)AEMFC首次報(bào)道以來的電池性能進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：陰離子交換膜燃料電池；化學(xué)修飾；穩(wěn)定性

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

1 AEMFC介紹

陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）是目前燃料電池研究界的一個(gè)焦點(diǎn)。文獻(xiàn)中最常見的術(shù)語是堿性膜燃料電池（AMFC）、固體（或固態(tài)）堿性燃料電池（SAFC）、氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC），堿性聚合物電解質(zhì)燃料電池（APEFCs）和聚合物電解質(zhì)堿性燃料電池（PEAFCs）。

自2000年以來在AEMFC領(lǐng)域的出版物數(shù)量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。特別是自2010年以來，出版物數(shù)量持續(xù)迅速增加。關(guān)于這一技術(shù)的研究報(bào)告共有2000多份，其中大部分是在近5年里發(fā)表的，這表明這一技術(shù)目前是燃料電池技術(shù)的一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域。

與成熟的PEMFC 技術(shù)相比，AEMFC具有一些潛在的優(yōu)勢(shì)。其中特別值得注意的是：

（1）加強(qiáng)氧還原催化，允許使用價(jià)格較低、不含鉑或貴金屬（PGM）的催化劑；

（2）在燃料電池環(huán)境下擴(kuò)展電池和堆疊材料的穩(wěn)定范圍；

（3）除了純氫以外，還有更廣泛的燃料選擇；

（4）范圍更廣的較便宜的聚合物化學(xué)（不需要含氟原料）。

2 無鉑氫燃料AEMFC的性能研究

與PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）相比，AEMFC的主要優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了ORR（氧還原反應(yīng)）催化能力，從而可以使用價(jià)格較低的無鉑催化劑。目前對(duì)堿性無鉑ORR催化劑的研究已經(jīng)開始，而AEMFCs用無鉑HOR（氫氧化反應(yīng)）催化劑的研究則是一個(gè)尚未探索的領(lǐng)域。雖然PEMFCs中HOR的動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展是如此之快，以致于陽極上的電池電壓損失通常被認(rèn)為是可以忽略不計(jì)的，但堿性AEMFCs的情況并非如此。在AEMFC中，陽極催化是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵陔姵氐母遬H介質(zhì)中，HOR的動(dòng)力學(xué)很慢。據(jù)報(bào)道，碳負(fù)載Pt電極上的交換電流密度在從低（pH=0）到高pH（pH=13）時(shí)大約降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這也是為什么很少有報(bào)告顯示在陰極上使用非Pt催化的AEMFC性能的原因之一，非常有限的一些報(bào)告顯示了AEMFC在無Pt的ORR和HOR催化劑情況下的性能[1]。在AEMFC的文獻(xiàn)中，很少有研究報(bào)告顯示完全不含Pt的電池的性能數(shù)據(jù)（包括陽極和陰極）[2-4] 。下圖總結(jié)了在這些研究中的電池性能數(shù)據(jù)。

從圖所示的總結(jié)的性能數(shù)據(jù)中，我們可以區(qū)分三組不同的陽極催化劑：功率密度在100 mWcm-2，100 -200 mWcm-2范圍的，最后是高于300 mWcm-2的。在第一組中，我們可以看到AEMFC性能是基于無PGM（貴金屬）的HOR催化劑[3]。截至目前這些研究是AEMFC性能的唯一報(bào)告，其中電池完全不含PGM催化劑。這些開創(chuàng)性的研究對(duì)這項(xiàng)技術(shù)非常有意義，因?yàn)樗鼈兪状巫C明了AEMFCs在不使用任何PGMs的情況下運(yùn)行的可行性。在第二組中，我們可以看到無鉑催化劑。雖然這些電池的性能高于無PGM基HOR催化劑，但它們含有pd催化劑，而且性能的提高不足以證明其使用是合理的。然而在第三組中，新型Pd基雙功能催化劑，摻雜Ni或CeO2可顯著提高催化劑的HOR活性，在無鉑的AEMFC性能上達(dá)到新的記錄。結(jié)果表明，Pd修飾CeO2雙功能催化劑具有較高的穩(wěn)定性，適用于高穩(wěn)定的無鉑AEMFC催化劑[4]。

3 小結(jié)

本文回顧了H2-AEMFC的性能。在過去的十年里，電池的性能顯著提高，現(xiàn)在已經(jīng)接近成熟的PEMFC技術(shù)。特別是，最近關(guān)于無鉑AEMFCs的報(bào)道顯示出了很好的性能，這與基于無鉑催化劑的PEMFC的研究結(jié)果類似。然而如前所述，本綜述中總結(jié)的所有研究都在電池測(cè)試開始時(shí)報(bào)告了性能數(shù)據(jù)。AEMFC性能穩(wěn)定的工作相對(duì)很少。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖建華等.碳載合金IrM（M=Fe，Ni，Co）納米顆粒催化酸性與堿性介質(zhì)中氫氧化反應(yīng)[J].催化學(xué)報(bào)，2016（07）：1142-1148.

[2]盧思奇.堿性條件下燃料電池陽極反應(yīng)電催化劑的制備及性能研究[D].北京化工大學(xué)：博士論文，2018（05）.

[3]胡軍等.燃料電池堿性聚合物陰離子膜研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2018（01）：165-168.

[4]董琴等.燃料電池用堿性聚合物電解質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2018（02）：211-220.