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质子交换膜燃料电池的原理与技术
作者：曾勋来源：《文艺生活下旬刊》2018年第02期
摘要：在各类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最接地气的，它更加接近生活。在过去的20多年里，质子交换膜燃料电池已经取得了跨越式的进展，这让人们看到了它市场化商品化的曙光。本文注重讲述质子交换膜燃料电池的结构极其原理，并对其研究现状和发展前景进行剖析，以推动质子交换膜燃料电池技术取得更大的进步。
关键词：质子交换膜燃料电池；单电池；电堆技术；多孔扩散层
中图分类号：TM9114文献标识码：A文章编号：10055312（2018）06025803
一、质子交换膜燃料电池的结构
一个完整的质子交换膜由以下几个部分组成，质子交换膜、导电多空扩散层、膜与扩散层之间的催化剂、电池连接件与双极板。质子交换膜燃料电池原理示意图，如图1所示。
质子交换膜在燃料电池中比较特殊，它既起到了蓄电池中隔膜隔绝正负极的作用，也相当于蓄电池中的电解质。所以它有电子绝缘性和质子导电性。这也要求质子交换膜必须既要有蓄电池中隔膜的机械性能和化学稳定性，也要有电解质的导电特性。目前比较成熟的商业质子交换膜有杜邦化学公司的Nafio
系列膜和Dow系列膜。它位于上述原理图的中央绿色的部分，导通H，隔绝电子。
两个多空扩散层位于上述示意图质子交换膜的两边蓝色的部分，它既有集流体收集电流的作用，也是气体扩散的主要通道。多空扩散层具有较大的比表面积，以便于气体扩散和电流集流。另外它还要提供机械支撑，反应产物也经过这个多空扩散层排出。
质子交换膜与多空扩散层中间的部分是催化剂层，也是实验室中的电极。它是燃料和氧化剂分开进行电化学反应的场所，是整个电池的核心。目前，无论阴极还是阳极，大多采用Pt基或Pd基合金催化剂。氧气在阴极的还原反应速率较低，所以一般阴极Pt含量为阳极的6到10倍。虽然Pt系列的合金催化剂具有较好的催化性能，但是也存在明显的问题。Pt是一种贵金属，价格昂贵，这使得燃料电池的成本增加。它在催化性能上也不尽如人意，存在中间产物CO的毒化作用，稳定性和使用寿命都有待提高。当下对催化剂的研究也主要集中在改善这方面的问题。
二、质子交换膜燃料电池的电催化机理及催化剂
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质子交换膜燃料电池中，常用的燃料是H2，氧化剂是空气当中的O2，即所谓的氢氧燃料电池。阳极进行H2的氧化反应（HOR），阴极进行的是O2的还原反应（ORR）。它运行温r