质子交换膜燃料电池发展历程

美国通用电气（General Electric，GE）公司是最早研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）的机构，GE 公司的格鲁布（T.Grubb）和里德拉（L.Niedrach）首先开发了 PEMFC 技术。1955 年，格鲁布第一个提出将离子交换膜作为电解质的想法，1959 年该方法获得专利。

20 世纪 60 年代，GE 公司以磺化聚苯乙烯膜为电解质，开发了质子交换膜燃料电池，所用的氢气由氢化锂（LiH）和水反应发生。这种质子交换膜燃料电池随后被美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）采用，用作双子星（Gemini）航天飞行器的辅助电源。这种功率 1kW 的燃料电池只有 32kg，十分轻巧。

同时，电池工作过程中所形成的水可供宇航员饮用。然而当时仍存在着一些问题，如功率密度仍然较低（<50mW/cm²）；聚苯乙烯磺酸膜在电化学反应条件下稳定性较差，寿命仅 500h 左右；Pt 催化剂用量太高等。

20 世纪 50 年代末，碱性燃料电池开始受到重视。剑桥大学的培根（Bacon）以比较廉价的镍代替铂作电极，以多孔气体扩散电极来增大气 - 液 - 固三相接触表面积，制备了高性能的碱性燃料电池。被 NASA 用于阿波罗登月飞船后，碱性燃料电池的研究变得热门，使质子交换膜燃料电池相关研究进入低潮。

此后，GE 公司继续对 PEMFC 进行开发，其中最大的突破发生在 20 世纪 60年代中期，美国杜邦（Dupont）公司成功开发了全氟磺酸离子聚合物膜，其最先在氯碱工业中得到应用 。

20 世纪 70 年代开始，通用电气公司采用全氟磺酸膜代替聚苯乙烯磺酸膜，提高了燃料电池的性能，使燃料电池的寿命超过 57000h。

当时美国杜邦公司研制出的新型性能优良的全氟磺酸膜，即 Nafion 系列产品，相对于聚苯乙炔磺酸膜具有以下优点：一是氟碳化合物的存在，使膜具有更高的酸性；二是相对 C-H 键来说，C-F 键在电化学环境中具有更高的稳定性。

尽管如此，由于燃料电池系统工作过程中膜的干涸问题没有得到很好的解决，PEMFC技术的发展仍然十分缓慢。后来，GE 公司采用内部加湿和增大阴极区反应压力的办法解决了上述问题，并开发出 GE/HS-UTC 系列产品，但其仍存在着两个不足：一是贵金属催化剂用量太高，达4mg/cm2，导致电池成本太高；二是电池必须以纯氧为氧化剂，如采用空气作氧化剂，即使在较高的压力下，电池的电流密度也只能达到 300mA/cm2，限制了 PEMFC 的应用。

1983 年，出于军事应用的目的，加拿大国防部（Canadian Department of National Defence）对 PEMFC 产生了极大的兴趣，并于 1984 年资助加拿大巴拉德动力系统公司（Ballard Power System，简称巴拉德公司）开始研究 PEMFC，其首要任务是解决氧化剂的问题，即用空气代替纯氧。另外，拟采用石墨极板取代NASA 电池中的铌板，以降低电池的成本。

1987 年，巴拉德公司采用了一种由美国 Dow 化学公司研制的新型聚合物膜，以 Pt/C 为催化剂，并同时在电极中加入全氟磺酸树脂建立质子通道，增大了电极内反应的三相界面，提高了 Pt 的利用率。他们将电极与质子交换膜热压在一起制成膜电极（Membrane Electrode As sembly，MEA），降低了膜与电极之间的接触电阻，其电流密度可达 430mA/cm2。

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