质子交换膜燃料电池研究

章晖

(海装天津局，天津 300384)

质子交换膜燃料电池研究

章晖

(海装天津局，天津 300384)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。研究了质子交换膜燃料电池实用化的技术及机理，对其结构缺陷进行了分析，认为开拓新的催化剂体系，合成出活性更高、稳定性更好的催化剂对于燃料电池来说意义重大。

质子交换膜燃料电池；燃料电池车；催化剂

质子交换膜燃料电池因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。随着各国政府和研究机构的大力投入，PEMFC技术取得了突飞猛进的发展，是目前最有希望进入商业化生产的一种燃料电池。然而要顺利实现商业化，PEMFC不仅要满足成本方面的要求，还必须具备良好的稳定性和寿命。

图1 质子交换膜燃料电池的结构示意图

1 质子交换膜燃料电池实用化的技术开发

质子交换膜燃料电池预计将在普及期 (2020～2030年)达到以下技术水平：燃料电池汽车向一般汽车一样能跑10万千米且价格是目前的几十分之一以下；家庭用燃料电池系统如一般家电长寿命一样耐用且成本是现在的十分之一。按照这一目标，实施各项技术开发。(1)基础的共同课题相关技术的开发：产业和科研多数单位联合参与对共同的基础课题如分析电堆及电池结构(如图1所示)缺陷，大幅度提高寿命，降低成本，提高能量转换效率；(2)关键技术开发：构成燃料电池系统电解质膜的开发(提高寿命，增强高温/低加湿下的传导性能，低成本化，明确结构的缺陷)；膜电极开发(提高铂的利用率，降低其使用量，寻找新的价格较低的非贵金属催化剂，耐高浓度CO阳极接触材料的开发，耐停启及电位循环性能的提高，明确电池结构的劣化点)；分离层的改进(开发成轻、薄、低成本型，提高导电、导热性，改进路线设计和耐腐蚀性)；运转条件的开发(扩大运行允许温度及湿度范围，提高低温加湿条件下的运行性能，提高高温下能量转换效率，-40～-30℃低温下能正常启动)；系统整体的开发(辅助设备的低成本及高寿命化，催化剂活性面积的高寿命及高效率化，开发替代铂的催化剂)；(3)实用化技术开发：电堆、膜电极组件、电催化剂等材料部件的生产及大量生产技术开发；(4)下一代新技术开发：推进新的高性能材料的探索，钠米级分子结构的利用及设计技术，燃料电池及电堆内发生的各种反应物质移动现象科学地详解。

2 PEMFC结构缺陷分析

结构缺陷的分析：影响PEMFC寿命的因素很多，催化剂活性面积损失、电解质膜的老化或污染、电极结构破坏和气体扩散层憎水性降低等都会缩短PEMFC的寿命。PEMFC所用的催化剂通常为碳黑担载铂(Pt/C)催化剂，其有效活性表面积在燃料电池的运行过程中会逐渐降低，这被认为是决定PEMFC寿命的关键因素。

高活性及高寿命的催化剂开发：实行高活性及低溶解性的铂合金催化剂、高电位安定性载体及高活性、高寿命、低S/C的改进型催化剂的开发和评价。

开发温度范围广及低湿度条件下的电解质膜：针对燃料电池车适用于宽的温度范围及低湿度条件，开发高质子电导率及高形状安定性电解质膜及高耐氧化及高耐加水分解电解质膜，改善高温低湿度及低温条件下的性能。

燃料电池车用质子交换膜(MEA)的高性能及高稳定性研究：针对燃料电池车启动条件下，高催化利用率的质子交换膜及对温度循环性能稳定的质子交换膜进行开发。电解质膜、催化剂、催化剂层的示意图如图2所示。中铂的溶解要明显快于阳极，而且，铂的氧化和还原循环会加速铂催化剂的溶解，因此，在波动电位条件下铂催化剂的溶解更为严重。此外，工作温度和湿度的升高、氧气的存在等也会加速铂的溶解。

图2 电解质膜、催化剂、催化剂层的示意图

PEMFC所用的Pt/C催化剂的铂颗粒粒径一般在2～5 nm。这么小的铂颗粒具有非常高的表面能，当相邻的铂颗粒距离不大时，很容易发生聚集形成大的铂颗粒，降低催化剂的活性表面积。

3.2 高稳定性催化剂载体

除了对碳材料进行石墨化处理外，硼掺杂的金刚石(BDD)材料凭借良好的热稳定性、化学稳定性和耐腐蚀能力也被考虑用作铂催化剂的载体材料。研究发现，BDD载体材料的稳定性比碳黑材料要高很多，而且以这种材料为载体的铂催化剂对甲醇氧化等反应表现出了良好的催化活性。许多金属氧化物具有良好的抗氧化能力，而且在较低温度下就具有良好的电子导电性，因此可以用作铂催化剂的载体材料。碳化钨材料(WC )由于具有高硬度、高氧化电阻、良好的热电传导能力而获得了广泛的应用，在用作PEMFC催化剂载体方面也受到了关注。

3.3 工作条件和环境的优化

3 PEMFC机理的研究

提高电极催化剂的性能,同时考虑电极潜在费用,确立电极催化剂的电化学反应速度测定手段,电极催化剂及载体的构造与催化剂活性、寿命相关的反应机理的明确把握。

3.1 铂的氧化、溶解和聚集

铂是一种化学性质非常稳定的贵金属，一般情况下与普通的酸、碱和氧气等都不发生反应，但是根据电位-pH图，在PEMFC的工作环境下，特别是在阴极的高电位条件下，铂并不非常稳定，表面会生成氧化物，其可能的氧化机理如下：

Pt+H2O→PtOH+H++e-→PtOH→PtO+H++e-

许多研究已经证实，在PEMFC的工作环境下，阴极铂的溶解很容易发生，而且是影响铂催化剂稳定性的关键因素之一。铂的溶解速率与很多因素有关。工作电位是影响铂溶解速率高低的主要因素，电位越高，铂的溶解速率越大，因此阴极

工作电位也是影响铂催化剂稳定性的关键因素之一。众多研究已经证实，随着电位升高，铂的氧化和溶解明显增加，而且一定范围内的电位波动会进一步加速铂的溶解过程。一般来讲，在PEMFC开路和启动、停止等暂态条件下会出现局部高电位和电位波动，可能加速铂催化剂的性能衰减，可向电极中通入一定的惰性气体以降低高电位，从而提高铂催化剂的稳定性。

提高电解质的性能，同时考虑电解质材料潜在费用,明确实际运转条件下精密结构的观察方法，把握质子传导、气体透过性及耐腐性之间的关系，明确物质移动及反应机理。

提高电池构成要素及界面间物质移动速度，明确催化剂、气体扩散层在实际操作环境下的结构,定量把握对物质移动、热电传导的影响，必须明确物质移动的机理。

4 结论

燃料电池的发展方向主要在于获得高效率和高比能量。探索新的合成技术，开拓新的催化剂体系，合成出活性更高、稳定性更好的催化剂对于燃料电池来说依然意义重大[1-2]。

[1]肖钢.燃料电池技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]徐曼珍.新型蓄电池原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

《燃料电池基础》

燃料电池（MFC）是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。本书是一本浅显易懂的教材和专业入门书籍，涵盖了关于燃料电池的基础科学与工程学。本书侧重于基本原理，简单明了地描述了燃料电池是如何工作的、为什么它可以产生如此高效的潜能，以及如何最佳地利用其独特的优势等。

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

章晖(1967—)，男，浙江省人，硕士，主要研究方向为军工产品质量监督和管理。