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燃料电池材料1燃料电池概述
燃料电池（fuelcell）是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力装置。燃料电池具有高能效、低排放等特点，近年来受到了普遍重视，在很多领域展示了广阔的应用前景。上个世纪60-70年代期间，美国“Gemini”与“Apollo”宇宙飞船均采用了燃料电池作为动力源，证明了其高效与可行性；燃料的选择性非常高，包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以做为燃料电池燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到的。以氢为燃料、环境空气为氧化剂的质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统近十年来在车上成功地进行了示范，被认为是后石油时代人类解决交通运输用动力源的可选途径之一。

再生质子交换膜燃料电池(RFC)具有高的比能量，近年来也得到航空航天领域的广泛关注；直接甲醇燃料电池(DMFC)在电子器件电源如笔记本电脑、手机方面等得到了演示，已经进入到了商业化的前夜；以固体氧化物燃料电池(SOFC)为代表的高温燃料电池技术也取得了很大的进展。但是，燃料电池技术还处于不断发展进程中，燃料电池的可靠性与寿命、成本与氢源是未来燃料电池商业化面临的主要技术挑战，这些也是燃料电池领域研究的焦点问题。1.1发展历史1.2燃料电池工作原理1.3燃料电池的分类1.4质子交换膜燃料电池（PEMFC）1.5再生氢氧电池（AFC）1.6熔融碳酸燃料电池（MCFC）1.7固态氧燃料电池（SOFC）1.8燃料电池系统组成2质子交换膜型燃料电池材料电催化剂催化机理其中MH2与MH分别表示吸附的氢分子和氢原子。第二步的第一种可能途径是H2与M作用就能使H—H键断裂形成M—H键，而第二种可能途径是MH2需要水分子的碰撞才能使H—H键断裂。二者的差异在于M与H原子间作用力的强弱不同，前者的M与H原子间作用强，而后者的作用弱。因此，吸附氢作用强的催化剂在第二步反应中按第一种途径的可能性大；而吸附氢作用弱的催化剂按第二种途径的可能性大。在多数情况下，过渡金属元素在吸附氢时直接离解成MH。Raman光谱实验证实，PEMFC中H在Pt上氧化的第二步正是按上述第一种途径进行的。2.1.1CH3OH的阳极氧化
CH3OH是一种易溶于水的液体燃料，它不像H2和烃类燃料存在浓差极化问题。但CH3OH氧化时存在以下几个问题：
a.CH3OH及其中间产物的电极反应速度较慢；
b.电催化剂易被中间产物毒化；
c.在许多电催化剂上均生成HCOOH和HCHO等副产
物；
即使在开路状态或在很低的电流密度(50mA／cm2)下，仍出现0.4V的电压损失。一般认为，Pt对CH3OH电化学催化的机理为：电催化剂的制备采用化学方法制备Pt/C电催化剂的原料一般采用铂氯酸。制备路线分两大类：
a先将铂氯酸转化为铂的络合物，再
由络合物制备高分散Pt/C电催化剂；
b直接从铂氯酸出发，用特定的方法
制备Pt高分散的Pt/C电催化剂。
为提高电催化剂的活性与稳定性，有时还添加一定的过渡金属，支撑合金型的电催化剂。多孔气体电极

燃料电池一般以氢为燃料，以氧为氧化剂。由于气体在电解质溶液中的溶解度很低，因此在反应点的反应剂浓度很低。为了提高燃料电池实际工作电流密度，减小极化，需要增加反应的真实表面积。此外还应尽可能的减少液相传质的边界层厚度。因此在此种要求下研制多孔气体电极。
多孔气体扩散电极的比表面积不但比平板电极提高了3-5个数量级，而且液相传质层的厚度也从平板电极的10-2cm压缩到10-3-10-6cm，从而大大提高了电极的极限电流密度，减少了浓差极化。2.2.2电极制备工艺
PEMFC电极是一种多孔气体扩散电极，一般由扩散层和催化层组成。扩散层的作用是支撑催化层、收集电流、并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道；催化层是发生电化学反应的场所，是电极的核心部分。电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，厚度为。制备方法为：首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液（PTFE)中进行憎水处理，用称量法确定浸入的PTFE的量；再将浸好的PTFE的碳纸置于330°C-340°C烘箱内进行热处理，除掉浸渍在碳纸中的PTFE所含有的表面活性剂，同时使PTFE热熔结，并均匀分散在碳纸的纤维上，从而达到优良的憎水效果。2.2.2.1经典的疏水电极催化层制备工艺
催化层由Pt/C催化剂、PTFE、及之子导体聚合物（Nafion）组成。制备工艺：将上述3种混合物按照一定比例分散在50%的蒸馏水种、搅拌、用超声波混合均匀后涂布在扩散层或质子交换膜上烘干，并热压处理。得到膜电极三合一组件。催化层的厚度一般在几十微米左右。2.2.2.2薄层亲水电极催化层制备工艺
在薄层亲水电极催化层种，气体的传输不同于经典疏水电极催化层中由PTFE憎水网络形成那个的气体通道中传递，而是利用氧气在水或Nafion类树脂种