①質子交換膜??質子交換膜(PEM)是質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，其微觀結構非常復雜。它為質子傳遞提供通道，同時作為隔膜將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它與一般化學電源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一種隔離陰陽極反應氣體的隔膜材料，還是電解質和電極活性物質（電催化劑）的基底，即兼有隔膜和電解質的作用；另外，PEM還是一種選擇透過性膜，在一定的溫度和濕度條件下具有可選擇的透過性，在質子交換膜的高分子結構中，含有多種離子基團，它只容許氫離子（氫質子）透過，而不容許氫分子及其他離子透過。
亞南膜電極參與了國家863計劃《燃料電池應急備用電源中試規(guī)模的制造及運行》項目的研究開發(fā)，項目于2016年順利通過國家科技部驗收，
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(a)?PEMFC的基本結構



(b)質子交換膜燃料電池組的外觀
圖1?質子交換膜燃料電池的基本結構
質子交換膜燃料電池對于質子交換膜的要求非常高，質子交換膜必須具有良好的質子電導率、良好的熱和化學穩(wěn)定性、較低的氣體滲透率，還要有適度的含水率，對電池工作過程中的氧化、還原和水解具有穩(wěn)定性，并同時具有足夠高的機械強度和結構強度，以及膜表面適合與催化劑結合的性能。
質子交換膜的物理、化學性質對燃料電池的性能具有極大的影響，對性能造成影響的質子交換膜的物理性質主要有：膜的厚度和單位面積質量、膜的抗拉強度、膜的含水率和膜的溶脹度。質子交換膜的電化學性質主要表現(xiàn)在膜的導電性能（電阻率、面電阻，電導率）和選擇通過性能（透過性參數(shù)P）上。
a．膜的厚度和單位面積質量。膜的厚度和單位面積質量越低，膜的電阻越小，電池的工作電壓和能量密度越大；但是如果厚度過低，會影響膜的抗控強度，甚至引起氫氣的泄漏而導致電池的失效。
b．膜的抗拉強度。膜的抗拉強度與膜的厚度成正比，也與環(huán)境有關，通常在保證膜的抗拉強度的前提下，應盡量減小膜的厚度。
c．膜的含水率。每克干膜的含水量稱為膜的含水率，可用百分數(shù)表示。含水率對膜電解質的質子傳遞能力影響很大，還會影響到氧在膜中的溶解擴散。含水率越高，質子擴散因子和滲透率也越大，膜電阻隨之下降，但同時膜的強度也有所下降。
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中膜的變形程度。溶脹度高，在水合和脫水時會由于膜的溶脹而造成電極的變形和質子交換膜局部應力的增大，從而造成電池性能的下降。
質子交換膜燃料電池曾采用酚醛樹脂磺酸型膜、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子交換膜燃料電池的固體電解質。雖然全氟磺酸膜具有良好的性能，但由于膜的結構、工藝和生產批量等問題的存在，到目前為止，質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。一個選擇是使用全氟磺酸材料與聚四氟乙烯(PTFE)的復合膜，其中PTFE是起強化作用的微孔介質，而全氟磺酸材料則在微孔中形成質子傳遞通道。這種復合膜能夠改善膜的機械強度和穩(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，同時較薄的膜還改善了膜中水的分布，提高了膜的質子傳導性能。另一個選擇是尋找新的低氟或非氟膜材料。此外，還可以采用無機酸與樹脂的共混膜，不僅可以提高膜的電導率，還可以提高膜的工作溫度。
②電催化劑??催化劑是質子交換膜燃料電池中的關鍵性技術焦點所在。為了加快電化學反應速度，氣體擴散電極上都含有一定量的催化劑。由于燃料電池的低運行溫度，以及電解質酸性的本質，故應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極催化劑兩類。質子交換膜燃料電池的陽極反應為氫的氧化反應，陰極為氧的還原反應。因氧的催化還原作用比氫的催化氧化作用更為困難，所以陰極是最關鍵的電極。
對催化劑的要求是足夠的催化活性和穩(wěn)定性，陽極催化劑還應具有抗CO中毒的能力，對于使用烴類燃料重整的質子交換膜燃料電池系統(tǒng)，陽極催化劑系統(tǒng)尤其應注意這個問題。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。由于質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氫氣氧化和氧氣還原反應表現(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，它對氫氣氧化和氧氣還原都具有非常好的催化能力，且可以長期穩(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題是成本太高，由于Pt的價格高、資源匱乏，使得質子交換膜燃料電池的成本居高不下，限制了大規(guī)模的應用，需要進一步降低鉑的載量。一種方法是尋找新的價格較低的非鉑，非貴金屬催化劑；另一種方法是改進電極結構，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主要問題是其毒化問題。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，這種毒化效應強烈地制約了催化劑的高度活性，并阻礙了擴展到其中的氫或氧．使得電極反應不能發(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，或吸入的空氣因來自被污染城市而含有一氧化碳，這都會造成毒化問題的產生。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各個燃料電池需要單獨處理。
③電極??質子交換膜燃料電池的電極是一種典型的多孔氣體擴散電極，一般由氣體擴散層和催化層構成。擴散層是導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，并為電化學反應提供電子通道、氣體通道和排水通道。催化層是進行電化學反應的區(qū)域，是電極的核心部分，其內部結構粗糙多孔，有足夠的表面積以促進氫氣和氧氣的電化學反應。電極制作的好壞對電池的性能有重要影響。
擴散層一般以多孔炭紙或炭布為基底，并經(jīng)聚四氟乙烯(PTFE)和炭黑處理后構成的，厚度約為0.2～0.3mm。在擴散層中，被PTFE覆蓋的大孔是憎水孔，未被PTFE覆蓋的小孔是親水孔。反應氣體通過憎水孔傳遞，而產物水則通過親水孔排出。制備擴散層的關鍵是如何實現(xiàn)憎水孔和親水孔的合理分布。一個好的氣體擴散電極應同時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，同時讓反應生成的水及時排除，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散層上并經(jīng)熱處理制得．催化層中的PTFE提供了氣體擴散通道，而催化劑則為電子和水的傳遞提供了通道。但是這種催化層質子傳導能力較差，性能不高。后來，為了改進這種催化層的質子傳導能力并增加催化劑、反應氣體和質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。

標簽：部分質子燃料