燃料电池用质子交换膜综述 1.1 概述 世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去 30 年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是 21 世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。 燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。 1.2 燃料电池 燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在 200°C 以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的 2~3 倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点 3 个方面具体介绍一下燃料电池： 1.2.1 燃料电池的组成 燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质 3 部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以 H2/O2 燃料电池为例(图 1-1)：H2 进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。 图1. 1 燃料电池工作示意图 1.2.2 燃料电池的分类 通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表 1.1 列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。 表 1.1 燃料电池类型及各自特点 类型 工作温度(°C) 燃料 电解质 运动离子 PEMFC 70-110 H2, CH3OH 磺化聚合物 (H2O)nH+ AFC 100-250 H2 KOH 溶液 OH- PAFC 150-250 H2 H3PO4 H+ MCFC 500-700 烃类,CO (Na,K)2CO3 CO3...
