燃料电池概述及管状质子交换膜型燃料电池的现状

【摘要】目前自然能源日益紧缺，环境保护现状不容忽视，直接甲醇燃料电池（DMFC）以其高效、环保、模块化、分布性强以及体积小、维护方便等特点而被认为是适应未来社会发展的一种绿色能源，并且越来越受到人们青睐。目前质子交换膜型燃料电池的膜电极制备主要有平板式聚合物电解质膜和圆管式聚合物电解质膜两种工艺。

【关键词】燃料电池，管状，膜电极

能源需求和环境保护是21世纪全球面临的主要问题。能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明程度和人民生活水平的重要指标。当今经济的发展和人口的增长使得各种环境问题层出不穷，直接或间接影响生态平衡，影响人类的健康和生存，当前环境污染很大部分是由能源的生产和消费所致，如二氧化碳排放量的75%，二氧化硫排放量的85%，铅排放量的61%都是化石能源燃烧引起的。开发高效、洁净、环保的新能源越来越受到世界各国的高度重视。

1燃料电池的概念、历史和研究意义

燃料电池是一种能量转换装置，在结构和能源转换方式上与一次电池、二次电池相似，都是由阴极、阳极和电解质组成，电子从参与化学反应的阳极经过负载从外电路到阴极，与通过电解质传递过来的离子结合，直接将还原剂和氧化剂的化学能转变为电能；在提供能源的连续性方面，与火力发电一样，只要不断地供给燃料和氧气，就能持续不断地产生电能。当它工作时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。因此，燃料电池与其它能源转换方式相比有很多优点： 能量转换效率高，一般在45%左右，如果在技术加以完善或综合利用，其效率可望达到60%以上；洁净、无污染、噪声低；模块结构，可搭建性强，适用于各种功率的要求；体积小，机动性强，维护方便，生产周期短；不需要并网发电，分布性强，适用于边远、交通不便地区的供电。

从燃料电池发展的历史来看，它晚于其他化学电源，早于火力发电，1839年，Grove以铂带作为催化剂，以稀硫酸为电解质制作了人类历史上的第一个燃料电池装置。由于受蒸气机、内燃机发展的影响，燃料电池的研究与发展停滞了一个多世纪。如今，燃料电池被认为是锂离子电池的理想替代产品，已成为世界各国竞相开发的高科技项目。

2管状质子交换膜型燃料电池的现状

制备管状燃料电池，要先作出管状膜电极，全氟磺酸膜本身的柔韧性能满足管状的要求。目前还没有商业化的管状质子交换膜，同时膜电极的扩散层采用柔韧性差的碳纸，这也阻碍了管状膜电极的研制。目前对于质子交换膜型燃料电池的膜电极制备主要有下面两种工艺。

2.1采用平板式聚合物电解质膜。胡里清采用在质子交换膜的两边涂上催化剂，直接获得膜电极，不用韧性差的碳纸作为扩散层和催化剂的涂敷层。然后膜电极与不透气的隔层一起卷成单层或多层卷筒型，隔层与隔层之间有两层膜电极，在相邻两层膜电极中间走燃料或氧化剂，膜电极与外层隔层之间走氧化剂或燃料。膜电极和隔层之间设有气体扩散载体，金属引线设在气体扩散载体上，由此构成卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

2.2采用圆管式聚合物电解质膜

日本Kentaro Ishida等人采用由Asahi生产的Flemion管状膜制备微管状直接甲醇燃料电池，膜的内径为0.3mm，外径0.6mm，采用化学镀的方法在管状膜的外侧沉积Pt，具体方法是在管状膜的内部用注射器注满0.2M NaBH4+1M NaOH，管状膜的外部浸在0.1M H2PtCl6溶液中，当两种溶液在膜中渗透相遇时，化学镀就开始进行，时间控制在30分钟或1小时，然后管状膜的内部插入载有Pt-Ru催化剂的炭纤维。

单电池表观面积为0.4cm2，分别采用1M甲醇+0.05M硫酸得到单电池的性能。测试条件为室温和常压，其性能较低，原因在于采用化学镀的方法，当镀层连续时，催化剂的表面积要远远小于炭载铂或铂黑，当镀层连续性差时，阴极的电流收集困难，因此所得电池性能较差。

美国自然科学公司（PSI）制造出微型管式膜电极，采用锥形金属扩散塞插入膜电极的内部与阳极接触。膜电极的外侧固定一个曲形环，管状单电池就组装完成。在2003年9QinetiQ公司和Voller能源公司已经签署了生产小型管状燃料电池的协议，它是由四个单电池组成的电堆，当采用氢气为燃料时，单电池的功率可达到 2W，单电池的长度为30mm，因此属于大尺寸的管状聚合物电解质膜燃料电池，但是该电池采用的膜没有说明，膜电极的制备方法也没有报道。在便携式电源方面，该电池的商业化前景一定会好于平板型燃料电池。这样燃料可以贮存在管的内部，只有在燃料不足时进行补加，取消了燃料供给的外围设备，外径采用多孔的不锈钢，可以进行空气自呼吸，减少了空压机的使用。

毛宗强申请了列管式质子交换膜燃料电池的实用新型专利，提出了列管式燃料电池堆的设计理念，该结构的电堆具有下列优点：（1）结构简单，密封容易，（2）省去了气体分布板，成本降低，（3）气体分布均匀。

管状质子交换膜型燃料电池有希望克服目前平板型燃料电池的缺陷，加快燃料电池商业化步伐。简化外围设备，降低系统本身的能量消耗，燃料存放在管子的内部，就像一个普通的电池，只要及时补充燃料就可以连续供电，对于DMFC不需要泵输送甲醇，采用空气自呼吸的方式，不使用空气压缩机。对于使用氢气的燃料电池，也可以将储氢材料放置在管的内部。

3小结与讨论

管状质子交换膜型燃料电池的研究刚刚开始，从膜电极材料的选择，到制备工艺，以及小型电堆的研制还有很多工作去做，在这个过程中也更容易出现新想法和新设计理念，所以专利的数量多于研究性论文。因此要制备出性能优良的平板型燃料电池，还是有很多技术上的难题需要解决：

⑴作为电极和催化剂涂敷的碳纸柔韧性差，不能进行任意弯曲，炭布的柔韧性很好，但是性能上要逊色于碳纸。

⑵目前虽然有管状质子交换膜产品的生产报道，但是由于使用范围有限和研究刚刚开始，规格和性能还不能满足不同用途的需要。

⑶膜电极的密封问题，由于质子交换膜遇水溶涨，所以密封粘结处容易开裂，造成阴阳极相互串气，影响电池长期运行的稳定性。

⑷管状燃料电池易于采用空气自呼吸，但是会带来排水问题，当电池工作在低温和湿度较大的环境下，阴极会被水淹从而带来电池性能下降。

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