摘要：对固体聚合物电解质（SPE）水电解池与H2/O2型质子交换膜（PEM）燃料电池进行了比较，在指出二者相同之处的同时，主要阐述了它们在电化学反应、材料选用以及其他方面的不同之处。
关键词：固体聚合物电解质；质子交换膜；水电解池；燃料电池
中图分类号：TM911.4文献标识码：A文章编号：16749944（2013）04031003
1引言
质子交换膜（Proton Exchange Membrane， PEM）燃料电池的发展历史可以追溯到20世纪60年代初美国通用电器（GE）公司为美国航空航天管理局（NASA）研制的空间电源[1]，虽然最终用于Apollo登月飞行的电源并不是PEM燃料电池而是碱性燃料电池（AFC）[2]。固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte， SPE）水电解技术是在PEM燃料电池研制的基础上发展起来的，也是由GE公司于20世纪60年代所开创[3，4]。在20世纪80年代末期之前，人们在燃料电池领域的研究热点主要集中在磷酸燃料电池和碱性燃料电池上，而此时PEM燃料电池的发展比较缓慢，相比之下SPE水电解技术发展得要成熟一些，从而为PEM燃料电池的发展打下坚实的基础；到了20世纪80年代末期特别是在20世纪90年代，由于以军事应用为目的的研制与开发，使得PEM燃料电池技术取得了长足的发展，反过来也极大地促进了SPE水电解技术的进步[5]。
2SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料
电池的共同特点SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池在电池组成和结构上几乎完全相同。以单电池（电解池）来讲，都是由双极板、扩散层、催化剂层以及固体聚合物电解质膜（质子交换膜）等部件构成，如图1所示；其电池（或电解池）堆结构也都采用多个单电池串联的压滤式结构，如图2。此外，两者还有许多共同点，比如电解质都是导电的固体聚合物（如Nafion膜）而非电解质溶液、其核心部件都是膜电极（膜和电极的结合体）、膜电极的制备工艺也大致相同、电极上发生的都是电化学反应等。
1.带有流道的双极板；2.密封垫片；3.扩散层；
4.催化剂层；5.固体聚合物电解质膜（质子交换膜）
图1SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池组成
示意1.端板；2.电池（电解池）组；3.螺母；4.螺栓；5.垫片
图2SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池
堆结构示意3SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料
电池的差异虽然SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池在诸多方面有着共同特点，但二者毕竟是具有不同用途的装置，因此在电化学反应、材料使用以及其他方面也有一些不同之处，现简述如下。
3.1电化学反应
在SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池中，发生的是互为可逆的电化学反应过程，前者使用电能将H2O电化学分解为H2和O2[6，7]，后者是将H2和O2的化学能转变为电能同时生成H2O[8，9]。
3.2双极板材料
在双极板的选材上，PEM燃料电池可以选用石墨板或者石墨树脂复合板[10]，但是SPE水电解池却不可以使用石墨这种含碳材料，因为在较高的阳极电位和氧气氛围下，碳材料会分解变成二氧化碳而逐渐消耗。目前，SPE水电解池多选用金属钛作为双极板材料[11]。
3.3扩散层材料
目前，PEM燃料电池主要选用碳纸或碳布作为扩散层[12]。但是，SPE水电解池的阳极扩散层也不可以使用这两种碳材料，理由同上；阴极扩散层由于不存在被氧化的问题，因此可以使用碳纸和碳布这两种材料。SPE水电解池阳极扩散层一般采用钛网[13]或者多孔钛板[14]。
3.4氧电极催化剂
在氧电极催化剂的选用上，一方面由于上述氧化分解的问题，SPE水电解氧电极催化剂不可以使用碳载的催化剂，如Pt/C或PtRu/C等；另一方面虽然对于PEM燃料电池来说Pt或者PtRu是比较好的催化剂，但是对于SPE水电解来说并不是好的析氧催化剂，因为在较高的阳极电位下，Ru容易被腐蚀，Pt也会由于表面生成高阻抗的氧化物而活性降低[15]。目前，SPE水电解一般使用Ir[16]或者IrO2[17]作为析氧催化剂。
2013年4月绿色科技第4期
卫国强，等：SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池比较工程技术
3.5膜电极制备及亲水性
在膜电极组件的制备工艺中，PEM燃料电池的膜电极可以先把催化剂涂敷到作为扩散层的碳纸或碳布上，然后再和质子交换膜热压到一起形成五合一膜电极[1]。但是，由于碳纸或碳布不可以用作SPE水电解的阳极扩散层，因此SPE水电解的膜电极一般都是把催化剂通过喷涂、化学镀或者转拓的方式和膜结合在一起形成三合一的膜电极[5]。扩散层（钛网或多孔钛板）通常不和膜电极热压在一起，只是在装配电解池时通过机械作用和膜电极进行电接触。
在SPE水电解中，膜电极就是浸泡在水中工作的，水需要到达催化剂层才能被分解，而且固体聚合物电解质膜需要吸收水以求保持含水量，因此SPE水电解中的膜电极一般使用亲水性膜电极[5]。相反，在PEM燃料电池中由于要及时排出生成的水以防止电极被淹没，因此在膜电极的制备过程中要添加一些疏水性材料如PTFE以使电极具有一定的疏水性[1]。
3.6加湿系统
由于PEM燃料电池所用的质子交换膜需要一定的含水量才可以传导质子，而且一般来说含水量越高质子传导性越好，因此在PEM燃料电池工作时必须保持一定的湿度条件。为了使燃料电池堆（组）内部保持满意的湿度环境，通常要对供给的氢气和氧气进行加湿，因此PEM燃料电池堆（组）一般都配有加湿系统[18]，这就增加了PEM燃料电池系统的体积和重量，从而降低了系统的能量密度。与之相反，由于SPE水电解反应物就是纯水，固体聚合物电解质膜一直是浸泡在水中工作的，根本不需要加湿系统即可保持饱和湿度，因此SPE水电解系统可以省去加湿装置，从而使系统变得简单[5]。
3.7冷却系统
由于要及时排出燃料电池工作时产生的热量，调节燃料电池堆（组）的温度，PEM燃料电池系统通常要安装冷却装置。冷却系统一般包括水泵、热交换器组成的主回路和由去离子装置组成的辅助回路[19]。在SPE水电解系统中，水既是反应剂又是冷却剂，因此可以省去附加的冷却系统，减小了装置的体积和重量[20]。
3.8商业化障碍
在商业化的问题上，PEM燃料电池除了要解决成本高的问题外，面临的另一个重要难题就是怎样解决氢燃料的储存、运输问题以及加氢站等基础设施的建设问题[21]；而对于SPE水电解来说，不但要解决材料成本高的问题，而且由于操作过程中电费占设备运行费用很大比例，因此如何获得廉价的电能也是SPE水电解大规模商业化必须克服的难题之一[22]。
4结语
通过比较可以看出，SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池有着诸多的共同特点，同时也存在许多不同之处。然而，两者之间的相同和相似之处也许更值得关注。因为，在SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池的发展过程中，相关研究工作总是相互促进，相辅相成的。因此，从事SPE水电解研究的科技工作者必须同时关注PEM燃料电池的发展，尤其要关注PEM燃料电池在质子交换膜、电催化剂和膜电极研究方面的进展，反之亦然。随着研究工作的进展，相信SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池这两种产品会尽早实现商业化。 参考文献：
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