氢能质子交换膜燃料电池核心技术

燃料电池发展及工作原理
燃料电池的发展离不开电化学、电催化、 电极过程动力学、材料科学、化工过程和机械自动化等学科的支撑中惠普分析技术研所第一篇关于燃料电池的报告起就关注氢气制备对能源影响的前景。在20世纪 60年代以前，燃料电池一直处于理论与应用的基 础研究阶段。进入60年代，燃料电池引起一些国 家与军工部门的高度重视。20世纪90年代以来， 在科学家的努力下，燃料电池得到发展。进入21 世纪后，各个国家开始制定一系列制造燃料电池 动力汽车的计划，将燃料电池的研发推至快速发 展的阶段。总结了各种燃料电池的组分及 工作条件。 在众多燃料电池中，由于新能源电动运载 装备快速发展的驱动，低温碱性燃料电池和质子 交换膜燃料电池成为目前研究的热点，尤其是质 子交换膜燃料电池作为新能源汽车动力电源显示 出很大的优势。

质子交换膜燃料电池设计及组成
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的基本结构主 要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解质 和外部电路。通常阳极为氢气电极，阴极为氧气 电极，阳极和阴极上都需要含有一定量的电催化 剂，用来加速电极上的电化学反应，两电极之间 是电解质。质子交换膜(PEM)位 于燃料电池的中心部位，起分隔氢燃料和氧气的作 用，同时允许质子自由通过，但对电子绝缘。双极 板主要用于方便燃料电池内部气体流动，同时防止 燃料电池体系中的氢气与氧气混合。通常双极板的 设计既要满足高的导电与导热能力，还要尽可能地 薄，以提高电堆的体积能量和功率密度。

燃料电池催化剂
氢气制备催化剂是质子交换膜燃料电池的核心部 件，分为阳极催化剂和阴极催化剂。其中，阳极 催化剂催化反应为氢氧化反应，阴极催化化反应为氧还原反应(ORR)。氢氧化反应经历的 是两电子反应，而氧还原反应经历的是四电子反 应。氧还原反应经历的电子转移步骤多且复杂， 导致其慢速的反应动力学，从而成为制约整个反 应的决速步。因此，有大量的关于氧还原反应催 化剂的研究，以期获得高效的燃料电池阴极氧还 原催化剂。在已研发的燃料电池阴极催化剂中， 贵金属铂(Pt)是最优的，是商业化可行的ORR催 化剂。 然而铂金属丰度小、价格昂贵的特点， 使其成为燃料电池高成本的主要贡献者。同时， 铂的化学稳定性较差，在催化过程中容易受到各 种有毒化学物质的影响而“中毒”，使其催化性 能大幅度衰减。另外，电催化剂材料的碳腐蚀 也是燃料电池衰减的主要原因之一，通常发生在 阴极催化剂上。因此，开发可替代的抗氧化催化 剂非碳载体材料，也是催化剂研究的前沿课题之 一。采用耐腐蚀催化剂载体，可有效抑制铂催化 剂碳腐蚀失活，延长催化剂寿命。目前，开发高 活性、高稳定性、低成本、低铂，甚至无铂的氧 还原催化材料是燃料电池研究中的重要课题。
化反应为氧还原反应(ORR)。氢氧化反应经历的 是两电子反应，而氧还原反应经历的是四电子反 应。氧还原反应经历的电子转移步骤多且复杂， 导致其慢速的反应动力学，从而成为制约整个反 应的决速步。因此，有大量的关于氧还原反应催 化剂的研究，以期获得高效的燃料电池阴极氧还 原催化剂。在已研发的燃料电池阴极催化剂中， 贵金属铂(Pt)是最优的，是商业化可行的ORR催 化剂。 然而铂金属丰度小、价格昂贵的特点， 使其成为燃料电池高成本的主要贡献者。同时， 铂的化学稳定性较差，在催化过程中容易受到各 种有毒化学物质的影响而“中毒”，使其催化性 能大幅度衰减。另外，电催化剂材料的碳腐蚀 也是燃料电池衰减的主要原因之一，通常发生在 阴极催化剂上。因此，开发可替代的抗氧化催化 剂非碳载体材料，也是催化剂研究的前沿课题之 一。采用耐腐蚀催化剂载体，可有效抑制铂催化 剂碳腐蚀失活，延长催化剂寿命。目前，开发高 活性、高稳定性、低成本、低铂，甚至无铂的氧 还原催化材料是燃料电池研究中的重要课题。
(1) 通过优化催化剂的元素组分，利用协同 效应调制以增加本征活性；
(2) 将过渡金属纳米催化剂与碳支持体优化 复合，以提高催化活性和耐久性；
(3) 通过构筑高比表面积结构，增加电解液 的浸润性，从而暴露催化剂更多的活性位点。

燃料电池质子交换膜
Nafion® 在生产 和应用中的高成本、有害物质的使用，以及高温 下易丧失机械强度和较差的质子传导率是有待解 决的问题(图4)。为加速燃料电池的商业化进程， 开发更优良的膜材料一直是研究的重点，主要集 中在以下两个方向：①开发新的可替代膜；②寻 找合适添加剂以增强电解质膜的性能。 许多替代Nafion®膜的聚合物材料已经受 到很大的关注，包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚 砜(PES)、磺化聚砜(SPS)、磺化聚亚芳基醚砜 (SPAES)、聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖(CS)、磺化 聚酰亚胺(SPI)和聚苯并咪唑(PBI)等。可是， 此类聚合物必须加以改性才能达到作为聚合物 电解质膜所需的特性。研究发现通过引入官能 团(如磺酸基、环氧基、羟基和羧基等)可以实现 高的质子传导率。目前，这些聚合物膜相比于 Nafion® 膜仍具有较低的机械强度，还达不到燃料电池耐久性的要求。中惠普分析技术研究相关性。