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1.3.2 PEMFC的工作原理
质子交换膜燃料电池以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂。其工作原理如图1.1所示，电解质将电池分割成阴极和阳极两部分。在阳极中，氢气在触媒的催化下而降低活化能，离解成氢离子和电子(1.1)：
H2+2H2O→2H3O++2e (1.1)
氢离子通过质子交换膜往阴极移动，而电子则由外电路对外负载做功后移往阴极，阴极半反应则是氧分子、电子及氢离子在触媒的催化下发生还原反应产生水(1.2):
1/2O2+2H++2e→H2O (1.2)
电池的总反应为(1.3):
H2+1/2O2→H2O (1.3)
PEMFC全反应的最终产物除了水与电子外，也会产生热，为了保持燃料电池在低温下工作，必须进行冷却，在PEMFC的典型工作温度下，阴极生成水与水蒸气形态同时存在，这些产物将由空气带离燃料电池。由此可见，燃料电池是一个能量转化装置，只要外界源源不断地提供燃料和氧化剂，燃料电池就能持续发电。
图1.1 PEMFC的工作原理
1.4 质子交换膜
1.4.1 质子交换膜的作用及性能要求
质子交换膜(PEM)在PEMFC中作为电解质和隔离物，是PEMFC的核心元件。质子交换膜的质子导电率、寿命和可逆性对PEMFC的性能有重要影响。理想的质子交换膜应具有如下性能[7]：
(1) 具有良好的化学和电化学稳定性；
(2) 良好的机械性能；
(3) 较高的质子传导率；
(4) 低的燃料渗透性；
(5) 适当的性能/价格比。
1.4.2 质子交换膜的种类
根据含氟量多少可将质子交换膜分为全氟、部分氟化和非氟质子交换膜,根据组成结构可将其分为均质膜和非均质膜。
(1) 全氟磺酸质子交换膜
目前，全氟磺酸型膜是在PEMFC系统中商业应用最广的一类质子交换膜。广泛应用的是美国Dupont公司生产的Nafion系列膜。目前生产的全氟磺酸膜还有Dow化学公司生产的Dow膜、日本Asahi公司的Aciplex膜、AsahiGlass公司的Flemion膜和氯公司的C膜等。不同公司生产的全氟磺酸膜的区别主要是链长短不同。其结构如图 1.2所示[8]：
图1.2 全氟磺酸质子交换膜
这类膜的化学结构由两部分组成:一部分是疏水的碳氟高聚物主链,一部分是带有亲水性磺酸基团的支链。疏水性的碳氟主链具有优异的热化学稳定性和机械性能,可确保聚合物膜具有良好的尺寸稳定性和较长的使用寿命。亲水性的磺酸基团与疏水的碳氟聚合物骨架所形成的亲水/憎水相分离结构赋予了膜较高的质子传导能力。并且磺酸根是通过醚支链固定在全氟主链上,能最大限度的降低阴离子在催化剂上的吸附,具有阳离子选择透过的性能。此外,通过电负性高的氟原子取代氧原子,氟原子强烈的吸电子作用增强了全氟聚乙烯磺酸的酸性,在水中能完全解离,酸性与硫酸相当,进一步增强了膜的质子传导能力。但是由于是全氟结构,其合成成本较高,而且在湿度低或温度高时传导率明显下降,这些缺点限制了其应用。此外,Nafion等膜具有较高的甲醇渗透性,不适用于直接甲醇燃料电池。
(2) 部分含氟质子交换膜
最早开发的部分氟化质子交换膜是聚三氟苯乙烯磺酸膜，由于机械强度和化学稳定性不好，尽管在低电流密度下电池寿命达3000h，但仍不能满足燃料电池长期使用的要求。随后，Ballard公司对上述膜进行改进，用取代的三氟苯乙烯与三氟苯乙烯共聚制得共聚物，再经磺化得到BAM3G膜。这种膜的主要特点是具有非常低的Ew(375-920g/mo1)，可提高电池的工作效率。单体电池寿命提高到15000h。它的成本也较Nafion膜和Dow膜低得多，具有良好的应用前景。
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