堿性燃料電池

堿性燃料電池(AFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池的組件及其工作原理類(lèi)似，總反應(yīng)也一致，因是在堿性工作條件下進(jìn)行，反應(yīng)機(jī)理略有不同,其陰陽(yáng)極的反應(yīng)如下：

相比PEMFC，AFC有以下優(yōu)點(diǎn)：

在陰離交換膜燃料電池中，離子與燃料的傳導(dǎo)方向相反，這有利于降低電池中燃料的滲透;

氧化還原反應(yīng)在堿性環(huán)境下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程較快，因此可以使用較為廉價(jià)的催化劑如鐵、鎳等代替貴金屬催化劑(鉑等)，降低燃料電池生產(chǎn)和運(yùn)行成本;

堿性環(huán)境下較快的動(dòng)力學(xué)過(guò)程使得甲醇、乙醇等可作為燃料使用;

堿性環(huán)境對(duì)金屬催化劑的腐蝕性比酸性環(huán)境小，可以延長(zhǎng)燃料電池電堆的使用壽命。

陰離子交換膜

堿性陰離子交換膜(AAEM)作為堿性陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)的關(guān)鍵部分，在分離燃料和氧氣(或空氣)中起著至關(guān)重要的作用，并實(shí)現(xiàn)陰離子轉(zhuǎn)移。實(shí)際應(yīng)用中，要求AAEM具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，一定的離子電導(dǎo)率。

陰離子交換膜(AEM)的性質(zhì)直接決定著AEMFC的最終性能、能量效率和使用壽命，因此AEM必須克服自己的缺點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

AEM的導(dǎo)電率和機(jī)械穩(wěn)定性之間的權(quán)衡，主要取決于離子交換容量(IEC)，官能團(tuán)類(lèi)型和膜的微結(jié)構(gòu)。

IEC的增加產(chǎn)生一個(gè)更好的水化羥基運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，但同時(shí)導(dǎo)致過(guò)度的水溶脹和離子濃度下降。傳統(tǒng)上，膜中的水吸收通過(guò)減少膜中陽(yáng)離子的相對(duì)量而降低，然而，這也降低了材料的IEC，從而降低了離子電導(dǎo)率。

圖2季銨型離子交換膜常見(jiàn)降解機(jī)理

AEM面臨的另一個(gè)問(wèn)題是堿性會(huì)促進(jìn)常用的陽(yáng)離子季銨基團(tuán)發(fā)生降解。季銨鹽作為離子交換基團(tuán)的研究已進(jìn)行了很多年，其主要問(wèn)題是在堿性環(huán)境下容易被OH-親核進(jìn)攻而發(fā)生反應(yīng)，使得離子交換基團(tuán)部分降解為叔胺類(lèi)等不帶電結(jié)構(gòu)，喪失離子交換能力。

季銨型離子交換膜的降解機(jī)理被認(rèn)為主要有2種路徑(圖2)：直接親核取代(路徑1、2、3、4)，氫氧根直接進(jìn)攻α-C，生成醇類(lèi)與叔胺;經(jīng)過(guò)加成-消除機(jī)理的霍夫曼消除(路徑5)，OH-進(jìn)攻β-H，形成α-β雙鍵，同時(shí)生成胺類(lèi)。