①質(zhì)子交換膜??質(zhì)子交換膜(PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，是一種厚度僅為50～180um的薄膜片，其微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它為質(zhì)子傳遞提供通道，同時(shí)作為隔膜將陽(yáng)極的燃料與陰極的氧化劑隔開(kāi)，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它與一般化學(xué)電源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一種隔離陰陽(yáng)極反應(yīng)氣體的隔膜材料，還是電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)（電催化劑）的基底，即兼有隔膜和電解質(zhì)的作用；另外，PEM還是一種選擇透過(guò)性膜，在一定的溫度和濕度條件下具有可選擇的透過(guò)性，在質(zhì)子交換膜的高分子結(jié)構(gòu)中，含有多種離子基團(tuán)，它只容許氫離子（氫質(zhì)子）透過(guò)，而不容許氫分子及其他離子透過(guò)。
亞南膜電極參與了國(guó)家863計(jì)劃《燃料電池應(yīng)急備用電源中試規(guī)模的制造及運(yùn)行》項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目于2016年順利通過(guò)國(guó)家科技部驗(yàn)收，
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(a)?PEMFC的基本結(jié)構(gòu)



(b)質(zhì)子交換膜燃料電池組的外觀
圖1?質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)
質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)于質(zhì)子交換膜的要求非常高，質(zhì)子交換膜必須具有良好的質(zhì)子電導(dǎo)率、良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、較低的氣體滲透率，還要有適度的含水率，對(duì)電池工作過(guò)程中的氧化、還原和水解具有穩(wěn)定性，并同時(shí)具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合的性能。
質(zhì)子交換膜的物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)燃料電池的性能具有極大的影響，對(duì)性能造成影響的質(zhì)子交換膜的物理性質(zhì)主要有：膜的厚度和單位面積質(zhì)量、膜的抗拉強(qiáng)度、膜的含水率和膜的溶脹度。質(zhì)子交換膜的電化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)在膜的導(dǎo)電性能（電阻率、面電阻，電導(dǎo)率）和選擇通過(guò)性能（透過(guò)性參數(shù)P）上。
a．膜的厚度和單位面積質(zhì)量。膜的厚度和單位面積質(zhì)量越低，膜的電阻越小，電池的工作電壓和能量密度越大；但是如果厚度過(guò)低，會(huì)影響膜的抗控強(qiáng)度，甚至引起氫氣的泄漏而導(dǎo)致電池的失效。
b．膜的抗拉強(qiáng)度。膜的抗拉強(qiáng)度與膜的厚度成正比，也與環(huán)境有關(guān)，通常在保證膜的抗拉強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小膜的厚度。
c．膜的含水率。每克干膜的含水量稱(chēng)為膜的含水率，可用百分?jǐn)?shù)表示。含水率對(duì)膜電解質(zhì)的質(zhì)子傳遞能力影響很大，還會(huì)影響到氧在膜中的溶解擴(kuò)散。含水率越高，質(zhì)子擴(kuò)散因子和滲透率也越大，膜電阻隨之下降，但同時(shí)膜的強(qiáng)度也有所下降。
d．膜的溶脹度。膜的溶脹度是指離子膜在給定的溶液中浸泡后，離子膜的面積或體積變化的百分率，即浸液后的體積（面積）和干膜的體積（面積）的差值與干膜的體積（面積）的百分比。膜的溶脹度表示反應(yīng)中膜的變形程度。溶脹度高，在水合和脫水時(shí)會(huì)由于膜的溶脹而造成電極的變形和質(zhì)子交換膜局部應(yīng)力的增大，從而造成電池性能的下降。
質(zhì)子交換膜燃料電池曾采用酚醛樹(shù)脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。研究表明，全氟磺酸型膜最適合作為質(zhì)子交換膜燃料電池的固體電解質(zhì)。雖然全氟磺酸膜具有良好的性能，但由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問(wèn)題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本還非常高，因此需要尋找高性能低成本的替代膜。一個(gè)選擇是使用全氟磺酸材料與聚四氟乙烯(PTFE)的復(fù)合膜，其中PTFE是起強(qiáng)化作用的微孔介質(zhì)，而全氟磺酸材料則在微孔中形成質(zhì)子傳遞通道。這種復(fù)合膜能夠改善膜的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而且膜可以做得很薄，減少了全氟磺酸材料的用量，降低了膜的成本，同時(shí)較薄的膜還改善了膜中水的分布，提高了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。另一個(gè)選擇是尋找新的低氟或非氟膜材料。此外，還可以采用無(wú)機(jī)酸與樹(shù)脂的共混膜，不僅可以提高膜的電導(dǎo)率，還可以提高膜的工作溫度。
②電催化劑??催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池中的關(guān)鍵性技術(shù)焦點(diǎn)所在。為了加快電化學(xué)反應(yīng)速度，氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。由于燃料電池的低運(yùn)行溫度，以及電解質(zhì)酸性的本質(zhì)，故應(yīng)用的催化劑層需要貴金屬。PEMFC電催化劑按作用部位可分為陰極催化劑和陽(yáng)極催化劑兩類(lèi)。質(zhì)子交換膜燃料電池的陽(yáng)極反應(yīng)為氫的氧化反應(yīng)，陰極為氧的還原反應(yīng)。因氧的催化還原作用比氫的催化氧化作用更為困難，所以陰極是最關(guān)鍵的電極。
對(duì)催化劑的要求是足夠的催化活性和穩(wěn)定性，陽(yáng)極催化劑還應(yīng)具有抗CO中毒的能力，對(duì)于使用烴類(lèi)燃料重整的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，陽(yáng)極催化劑系統(tǒng)尤其應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。PEMFC電催化劑按照使用金屬可分為鉑系和非鉑系電催化劑兩類(lèi)。由于質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度低于100℃，目前只有貴金屬催化劑對(duì)氫氣氧化和氧氣還原反應(yīng)表現(xiàn)出了足夠的催化活性．現(xiàn)在所用的最有效催化劑是鉑或鉑合金催化劑，它對(duì)氫氣氧化和氧氣還原都具有非常好的催化能力，且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。由于這種電池是在低溫條件下工作的，因此，提高催化劑的活性，防止電極催化劑中毒很重要。
以鉑或鉑合金作為催化劑的主要問(wèn)題是成本太高，由于Pt的價(jià)格高、資源匱乏，使得質(zhì)子交換膜燃料電池的成本居高不下，限制了大規(guī)模的應(yīng)用，需要進(jìn)一步降低鉑的載量。一種方法是尋找新的價(jià)格較低的非鉑，非貴金屬催化劑；另一種方法是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，有效利用鉑催化劑，提高Pt的利用率，減少單位面積的使用量。
以鉑或鉑合金作為催化劑的另一個(gè)主要問(wèn)題是其毒化問(wèn)題。鉑催化劑因極富活性而提供了優(yōu)異的性能。該催化劑對(duì)一氧化碳和硫的生成物與氧相比有較高的親和力，這種毒化效應(yīng)強(qiáng)烈地制約了催化劑的高度活性，并阻礙了擴(kuò)展到其中的氫或氧．使得電極反應(yīng)不能發(fā)生，燃料電池性能遞減。若氫由重整裝置提供，則氣流中將含有一些一氧化碳，或吸入的空氣因來(lái)自被污染城市而含有一氧化碳，這都會(huì)造成毒化問(wèn)題的產(chǎn)生。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各個(gè)燃料電池需要單獨(dú)處理。
③電極??質(zhì)子交換膜燃料電池的電極是一種典型的多孔氣體擴(kuò)散電極，一般由氣體擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成。擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，起著支撐催化層、收集電流的作用，并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道、氣體通道和排水通道。催化層是進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，是電極的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙多孔，有足夠的表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。電極制作的好壞對(duì)電池的性能有重要影響。
擴(kuò)散層一般以多孔炭紙或炭布為基底，并經(jīng)聚四氟乙烯(PTFE)和炭黑處理后構(gòu)成的，厚度約為0.2～0.3mm。在擴(kuò)散層中，被PTFE覆蓋的大孔是憎水孔，未被PTFE覆蓋的小孔是親水孔。反應(yīng)氣體通過(guò)憎水孔傳遞，而產(chǎn)物水則通過(guò)親水孔排出。制備擴(kuò)散層的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)憎水孔和親水孔的合理分布。一個(gè)好的氣體擴(kuò)散電極應(yīng)同時(shí)具備適度的親水性和憎水性，以保證催化劑發(fā)生作用的最佳濕化環(huán)境，同時(shí)讓反應(yīng)生成的水及時(shí)排除，以免電極被淹。
催化層可以分為常規(guī)憎水催化層、薄層親水催化層和超薄催化層。早期的催化層是常規(guī)的憎水催化層，厚度超過(guò)50um，主要是將鉑黑或碳載鉑催化劑和PTFE微粒混合后，經(jīng)絲網(wǎng)印刷、涂布和噴涂等方法涂覆到擴(kuò)散層上并經(jīng)熱處理制得．催化層中的PTFE提供了氣體擴(kuò)散通道，而催化劑則為電子和水的傳遞提供了通道。但是這種催化層質(zhì)子傳導(dǎo)能力較差，性能不高。后來(lái)，為了改進(jìn)這種催化層的質(zhì)子傳導(dǎo)能力并增加催化劑、反應(yīng)氣體和質(zhì)子交換膜三相界面的面積，又研制了薄層親水催化層和超薄催化層。

標(biāo)簽：部分質(zhì)子燃料