摘要：伴随社会快速发展，改革开放进程的不断深入，我国经济建设方面得到了迅猛发展。离子交换膜是燃料电池的重要部件，肩负着在电池内部传递离子，形成完整电池回路的作用。按照传导离子的种类，可以将其分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，分别应用于质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中。本文阐述了这2类电池的研究进展和应用，提出了存在的主要问题，并着重介绍了常见阴离子交换膜及其合成方法和降解机理，对研究前景提出展望。
关键词：燃料电池；关键材料；工程化现状
引言
燃料电池作为下一代清洁能源，在新能源汽车领域具有得天独厚的优势，本文对燃料电池关键材料工程化现状进行研究，并对燃料电池工程化中目前存在的问题进行详细分析并提出未来可能的解决路线。
1燃料电池概述
燃料电池是一种不断输入燃料进行化学反应，将化学能直接转化为电能的装置，燃料通常为甲醇、乙醇、纯氢气、天然气及汽油等。离子交换膜燃料电池中，以氢氧为燃料的电池最常见，通过特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水，这一过程的燃料廉价，化学反应不存在危险，二氧化碳排放量比一般方法低很多，生成的产物水无害，是一种低污染性的能源，这是现今其他动力来源望尘莫及的。目前，计算机和汽车企业开始着力于开发燃料电池以替代传统的电池电源，汽车领域中燃料电池的应用，已成为能源发展的必然趋势。
2燃料电池关键材料及工程化现状
2.1电解质材料
电解质材料是SOFC的核心材料，要求完全是离子导体，所以电子迁移数越小越好;在高温氧气或氢气等极端条件下应处于热力学稳定状态;而且体积要稳定，不应发生氧化还原而膨胀或收缩;要求是致密体，不会发生气体的扩散泄漏;高温下电解质与电极材料之间不能发生化学反应;电解质应具有足够的机械强度和与其他材料相互匹配的热膨胀系数等。电解质材料按照导电离子的不同可以分为两类:质子导电电解质和氧离子导电电解质。目前，对质子导电电解质的研究还局限于基础材料、导电机理等方面，且能应用的燃料范围有限，有关这方面的报道不多。常用的有稀土掺杂的BaCeO3钙钛矿结构材料(如20%Gd掺杂的BaCeO3)和锆酸钡材料，前者有非常好的质子电导率，但是化学稳定性和耐湿性很差，在含二氧化碳或水气氛下容易分解为碳酸钡和氧化铈。后者虽然稳定但质子电导率很差。Shimada等研究了BaZr4Ce0.4In0.2O3(BZCI)的导电性，发现其在富氢气氛下具有良好的质子导电性;在富氧气氛下同时具有质子电导、氧离子电导和一定程度的电子电导，因而可称为部分质子导电体。Fehriger等研究了钙掺杂的铌酸钡质子导电电解质的导电及机械性能。Magraso等研究了Gd掺杂的BaPrO3质子导电电解质。
2.2气体扩散层
气体扩散层（GDL）的孔结构、水与碳纤维的相互作用是研究传输现象尤其是水的传输、分布和管理的先决条件。网状孔的润湿性及结构是决定水或空气饱和度及微孔网状结构毛细压力之间相互关系的主要因素。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆用标准孔隙率测定法测饱和水的孔容和总孔容，计算两者的比值，考察GDL在不同温度下的渗透情况，得知水在GDL中的传输与温度和冷凝状态有关，且其在亲水性孔中的接触角为35-53°；若水蒸汽被凝结，其饱和孔容也随之增加。经分散石墨烯、喷雾沉积和高温烧结制备的微孔层（仅占气体扩散层约10％的厚度），具有独特的化学结构，与传统材料科琴黑相比其在高湿度下的化学特性和热力学传导率有所提高，在中低湿度下更能表现出极佳的电化学特性，同时具有高效的水处理能力。含疏水官能团的重氮盐经电化学还原后可制备超疏水GDL，疏水分子以共价键的形式均一键合在GDL纤维表面，极大地降低了孔的堵塞。经测试重氮盐／GDL的自动性、湿度和干燥条件，发现其性能较传统PTFE／GDL优良。经机械处理，加热至120℃的氢氧化钠溶液除木质素后，分离纤维可得竹纤维；将竹纤维塑性碳化后测其电传导率，结果表明竹纤维片较化石燃料基GDL对CO2的还原更为持久、经济。DIDEM等实验发现，减少PT／Ｃ催化剂中PT的用量有利于降低CO2的腐蚀，提高GDL水的管理能力和氧气的传输效率。用碳硬模板法制备的有序大粒径PT中孔球，由于其催化剂层中存在着约７ｎｍ厚的薄PT壳层和微孔、大孔，催化活性位点增多、PT的用量减少，相较于PT／Ｃ具有更高的比表面积和电流密度，2000次循环后其寿命更长。
2.3双极板
双极板是电堆的核心结构零部件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池60%的质量和约15%～20%的成本，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。目前使用的极板有石墨极板和金属极板，其中石墨双基板最为成熟而且已经实现大规模商业化应用。其技术含量在整个燃料电池中相对较低，工艺环节中主要需要控制的是极板的强度和加工性能。国外主要供应商包括美国的步高石墨有限公司（POCO）、格拉夫技术国际控股有限公司（Graftech），日本的藤仓橡胶工业株式会社（FujikuraRubberLTD）和九州耐火炼瓦株式会社（KyushuRefractories），国内主要有上海弘枫、上海神力、杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素等，其性能与国外产品不相上下，在石墨双极板方面已经实现了完全国产化。金属双极板在生产过程中则需要注意其耐腐蚀涂层的均匀性和导流槽加工的精密度。生产商主要为瑞典赛尔冲击股份公司（Cellimpact）、美国德纳控股公司（Dana）、德国格雷伯机械技术有限公司合作（Grabener）、美国特来德斯通技术公司（Treadstone），国内尚未量产，主要研发企业为新源动力。在双极板领域中国内外技术和产业化程度差距不大，并且国内由于基建设施和劳动力的优势，在技术含量较低的双极板领域略有优势。
结束语
作为可再生材料出现的离子交换膜（IEM）在促进传统工业和创新能源技术的发展方面发挥突出的作用。除了材料的固有特性之外，选择适当的制备方法对于实现所需的膜性能也是至关重要的。目前，一系列技术如聚合物共混，孔隙填充，原位聚合和电纺丝也有希望保持和改善原始聚合物的优良性质。但由于制备方法不够系统化，进一步探索和优化操作条件对于精确控制改进IEM的结构和组成是有必要的。随着离子交换膜的材料和制备方法的进步，相应的应用也取得了快速的进展，燃料电池、扩散透析、电渗析、双极膜电透析、能源转换和生产等领域都需要使用IEM。IEM作为PEMFC和APEFC的核心部件，这不仅要求IEM具有良好的电化学性能，即较高的离子传导率；还需要优异的机械性能和热稳定性；而且由于膜材料的工作体系为强酸性或者强碱性，这还要求材料的耐酸碱能力强，因此IEM仍面临着未知的挑战。
参考文献
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论文作者:1孟庆旭,2林超,3董晨光,4吴晓峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：燃料电池论文; 极板论文; 质子论文; 电解质论文; 材料论文; 石墨论文; 疏水论文; 《基层建设》2019年第14期论文;