中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

罗芳，潘书媛，杨泽惠

中国地质大学(武汉)，材料与化学学院，可持续能源实验室，武汉 430074

1 引言

随着目前能源紧缺及环境污染问题的日益严重，开发新型可持续、环境友好的能量转换器件成为当前研究热点。燃料电池是一种可直接将化学能转换为电能的能量转换装置，由于其反应实质相当于电解水的逆反应，因此反应终产物具有环境友好性，同时燃料来源广泛，具有可持续性。燃料电池能量转化不受卡诺循环限制，理论上能量转换效率可达90%，实际使用效率为40%-60%，为普通内燃机的2-3倍，对比目前使用较多的几种能量转换器件具有很大优势(图1所示)。

图1 几种典型能量转换器实际使用效率及能量密度对比Fig. 1 Comparison of energy density and conversion efficiency of various devices.

如图2所示，燃料电池根据温度划分为四种类型：固体氧化合物燃料电池(solid oxide fuel cells，SOFCs)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cells，MCFCs)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cells，PAFCs)、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFCs)，其中PEMFCs除具备一般燃料电池的优点外，还有结构简单、启动速度快、寿命长等特点。PEMFCs通常使用温度在80-250 °C，其中低温PEMFCs使用聚全氟磺酸(Nafion)作为质子交换膜，主要以水作为质子传递介质。低温PEMFCs关键部件如催化剂、质子交换膜等都已经商业化成熟，并具有启动速度快等优势，但由于其质子传导强烈依赖水的存在，导致系统水热管理复杂，另外，反应燃料及副产物中一氧化碳的存在会严重影响铂基催化剂的活性，导致电池性能严重下降，因此低温PEMFCs的发展还存在诸多挑战。

图2 燃料电池通过温度分类，低温质子交换膜燃……