H2-AEMFC及其稳定性综述

孟凡英， 张玉娟， 孙 震

(1.张家口职业技术学院，河北 张家口 075000；2.张家口市桥东区姚家庄镇人民政府，河北 张家口 075000)

引 言

燃料电池由于其环境友好和较高的能量转换效率而广受关注，限制燃料电池产业化应用最大的一个因素就是成本问题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)约一半成本来自于催化剂铂的使用，因此，使用非铂催化剂成为了燃料电池领域需要解决的问题之一。阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)因此应运而生。

1 AEMFCs的独特特征

(1)

OH-被输送到阳极，当氢被用作燃料时，发生式(2)氧化反应：

(2)

在整个反应中，PEMFC和AEMFC都产生水作为副产品。然而与PEMFC技术不同的是，AEMFC中的水是在阳极产生的，同时水又是阴极上的反应物。这种独特的水传输情景，再加上AEMFCs中的高碱性介质，代表了AEMFCs的一个独特特征。

2 H2-AEMFC性能稳定性

越来越多的研究成功地证明了因为这项技术开发的改进材料制成的电池具有良好的性能。然而尽管AEMFC性能测试数据已经发表了近百份报告，但对电池性能稳定性的研究却很少。

在恒流密度或恒定电压下AEMFC的操作试验报道了其性能稳定性研究，将结果的性能稳定性数据表示为单元电压与时间的关系(见第69页图1a))、单元电流密度或单元功率密度与时间的关系(图1b))。为了将所有文献数据汇总到图中并便于比较，报告的性能稳定数据在每次测试电池最初寿命时通过电压(或功率密度或电流密度)进行了标准化。如第69页图1所示，AEMFC的大多数性能稳定性测试显示，在运行的前100 h～200 h内，性能显著下降。只有少数报告显示性能稳定在300 h以上。在这些情况下，测量到的平均衰减范围为0.2 mV·h-1～0.5 mV·h-1。这比在相对湿度接近100%、电池温度为75 ℃的最佳条件下运行的PEMFC的降解率高2个数量级。例如，当电池运行在低加湿水平或电池温度90 ℃或更高时，质子交换膜燃料电池的降解率可增加数量级[1]。同样，低加湿水平的AEMFC可能会损害稳定性。

如第69页图1所示，AEMFC可能有几个原因导致性能严重下降。其中,主要原因可能是在AEMFC的碱性环境下，作为AEMS和离聚体的阴离子导电聚合物发生了化学降解。在碱性介质中负离子导电基团的化学降解有很好的文献记载，主要是OH-对阴离子导电聚合物的攻击，破坏聚合物的离子性质。如图1所示，这种化学降解会导致AEM负离子电导率降低，增加电池电阻，进而极大地限制电池的耐久性。这种离子材料的化学降解及其对电池性能稳定性的负面影响是当今AEMFC技术面临的主要挑战。为了克服这一稳定性挑战，人们进行了广泛的研究，许多研究已经开始报道新的聚合物化学物质包括改性和/或新的阳离子官能团的开发，聚合物骨架、聚合物交联、接枝方法不断进步，提出新的稳定材料[2-4]。

图1 H2-AEMFCs的性能稳定性

实际上现在有报道称，目前用于测定AEM稳定性的实验可能会导致假阳性稳定性结果，负离子导电离聚体材料的碱稳定性可能比实际情况要好得多。使用一种新的稳定性测试方案。发现，在现有的稳定性试验条件下，一些季铵盐阳离子是非常

稳定的，当介质中存在超低含水量时，与运行中的AEMFC阴极的实际情况一样，阳离子被迅速降解，就像在现场的AEMFC耐久性试验中所观察到的那样。这种超低含水量水化数(λ<4)最近被证实存在于AEMFC的阴极电极上[3]。在不同的电池操作条件下，模拟的AEMFCs的水化数λ<8，甚至低于4。

3 结语

所有报告的性能稳定性数据表明，H2-AEMFC操作限制在1 000 h以内。绝大多数研究报告，性能稳定性低于300 h。由于这种性能限制，大多数测试仅限于较低的电池温度(主要是60 ℃)。有人认为，这种性能稳定性有限的原因是阴离子导电聚合物的阳离子官能团的化学降解，这是由于AEMFC操作时阴极中存在超低含水量所致。

离聚体稳定性是一个势在必行的目标，在AEMFC技术中具有最高优先级，因为没有所需的性能稳定性，几乎不可能将该技术应用于该领域。