碱性阴离子交换膜燃料电池

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)，也称为阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)、碱性膜燃料电池(AMFC)、氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFC)或固体碱性燃料电池(SAFC)。一种碱性燃料电池，它使用阴离子交换膜来分隔阳极室和阴极室。碱性燃料电池(AFC)基于碱性阴离子（通常是氢氧根OH-）在电极之间的传输。最初的AFC使用氢氧化钾水溶液(KOH)作为电解质。AAEMFC改为使用传输氢氧根阴离子的聚合物膜。

在碱性阴离子交换膜燃料电池中，燃料（氢气或甲醇）在阳极供应，氧气通过空气供应，水在阴极供应。燃料在阳极被氧化，氧气在阴极被还原。在阴极，氧还原产生氢氧根离子(OH-)，它们通过电解质向阳极迁移。在阳极，氢氧根离子与燃料反应产生水和电子。电子通过电路产生电流。以氢为燃料时的电化学反应在阳极：H2+2OH−→2H2O+2e−在阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-甲醇为燃料时的电化学反应阳极：CH3OH+6OH-→CO2+5H2O+6e-在阴极：3/2O2+3H2O+6e-→6OH-

阴离子交换膜的机械性能与电化学能源技术的使用有关，例如燃料电池中的聚合物电解质膜。聚合物的机械性能包括弹性模量、拉伸强度和延展性。用于测量这些性能的传统拉伸应力-应变测试对实验过程非常敏感，因为聚合物的机械性能在很大程度上取决于环境的性质，例如水、有机溶剂、氧气和温度的存在。假设微观结构没有改变，提高温度通常会导致弹性模量降低、拉伸强度降低和延展性增加。在玻璃化转变温度附近，观察到机械性能的非常显着的变化。

增加用于阴离子交换膜(AEM)的聚合物的机械性能的一种方法是用接枝的季铵基团取代传统的三元胺和阴离子交换基团。这些离聚物导致大的储存和杨氏模量、高拉伸强度和高延展性。将抗衡离子从氢氧根离子交换为碳酸氢根离子、碳酸根离子和氯离子，进一步提高了膜的强度和弹性模量。Narducci及其同事得出结论，与阴离子类型有关的吸水量对机械性能起着非常重要的作用。Zhang及其同事通过C1、C3、C4-取代的咪唑并通过硫醇-烯化学交联它们。这些交联的AEM表现出优异的成膜性能，并且由于聚合物链中增加的缠结相互作用而表现出更高的拉伸强度，这反过来又增加了吸水率。吸水率和机械性能之间的这种密切关系反映了Narducci及其同事的发现。张等人的研究结果。表明阴离子导电材料与稳定的空间保护有机阳离子的交联是生产用于碱性燃料电池的稳健AEM的有效策略。这些交联的AEM表现出优异的成膜性能，并且由于聚合物链中增加的缠结相互作用而表现出更高的拉伸强度，这反过来又增加了吸水率。吸水率和机械性能之间的这种密切关系反映了Narducci及其同事的发现。张等人的研究结果。表明阴离子导电材料与稳定的空间保护有机阳离子的交联是生产用于碱性燃料电池的稳健AEM的有效策略。这些交联的AEM表现出优异的成膜性能，并且由于聚合物链中增加的缠结相互作用而表现出更高的拉伸强度，这反过来又增加了吸水率。吸水率和机械性能之间的这种密切关系反映了Narducci及其同事的发现。张等人的研究结果。表明阴离子导电材料与稳定的空间保护有机阳离子的交联是生产用于碱性燃料电池的稳健AEM的有效策略。

NASA在1960年代用于阿波罗和航天飞机计划的碱性燃料电池使用KOH水溶液作为电解质，以近70%的效率发电。在这种情况下，CO2通过氧化剂空气流进入并作为甲醇氧化的副产品产生，如果甲醇是燃料，则与电解质KOH反应形成CO32-/HCO3-。结果不幸的是，K2CO3或KHCO3沉淀在电极上。然而，已经发现这种效应可以通过从电极上去除阳离子反离子来减轻，并且一些工业和学术团体发现碳酸盐的形成是完全可逆的，尤其是Varcoe。已经开发出使用空气作为氧化剂源的低成本CO2系统。在碱性阴离子交换膜燃料电池中，含水KOH被可传导氢氧根离子的固体聚合物电解质膜取代。这可以克服电解质泄漏和碳酸盐沉淀的问题，尽管仍然利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。可以传导氢氧根离子。这可以克服电解质泄漏和碳酸盐沉淀的问题，尽管仍然利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。可以传导氢氧根离子。这可以克服电解质泄漏和碳酸盐沉淀的问题，尽管仍然可以利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。这可以克服电解质泄漏和碳酸盐沉淀的问题，尽管仍然可以利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。这可以克服电解质泄漏和碳酸盐沉淀的问题，尽管仍然利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。尽管仍然利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在AAEMFC中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。尽管仍然利用在碱性环境中运行燃料电池的好处。在碱性阴离子交换膜燃料电池中，CO2与水反应形成H2CO3，H2CO3进一步分解为HCO3-和CO32-。CO32-/HCO3-的平衡浓度小于0.07%，在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。07%，并且在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。07%，并且在没有阳离子（K+、Na+）的情况下，电极上没有沉淀。然而，没有阳离子是难以实现的，因为大多数膜被调节为功能性氢氧化物或碳酸氢盐形式，而不是它们最初的化学稳定卤素形式，并且可能通过竞争性吸附到活性位点和施加亥姆霍兹效应显着影响燃料电池性能层效应。与碱性燃料电池相比，碱性阴离子交换膜燃料电池还可以保护电极免受固体碳酸盐沉淀的影响，这会在启动过程中引起燃料（氧/氢）传输问题。已开发的绝大多数膜/离聚物都是碳氢化合物，从而更容易回收催化剂并降低燃料交叉。与氢气相比，甲醇具有更容易储存和运输的优点，并且具有更高的体积能量密度。此外，与PEMFC相比，碱性阴离子交换膜燃料电池中从阳极到阴极的甲醇交叉减少，这是由于膜中从阴极到阳极的离子传输方向相反。此外，在AAEMFC中可以使用高级醇，例如乙醇和丙醇，因为AAEMFC中的阳极电位足以氧化醇中存在的CC键。

开发AAEMFC的xxx挑战是阴离子交换膜(AEM)。典型的AEM由带有束缚阳离子交换基团的聚合物骨架组成，以促进游离OH-离子的移动。这与用于PEMFC的Nafion正好相反，其中阴离子共价连接到聚合物上，质子从一个位点跳到另一个位点。挑战在于制造具有高OH-离子电导率和机械稳定性的AEM，而不会在升高的pH值和温度下发生化学劣化。降解的主要机制是存在β-氢时的霍夫曼消除和OH-离子在阳离子位点的直接亲核攻击。一种提高霍夫曼消除化学稳定性的方法是去除阳离子位点上的所有β-氢。另一个挑战是实现与PEMFC中观察到的H+电导率相当的OH-离子电导率。由于OH-离子的扩散系数是H+的一半（在散装水中），因此需要更高浓度的OH-离子才能获得类似的结果，这反过来又需要聚合物具有更高的离子交换能力。然而，高离子交换容量会导致聚合物在水合时过度溶胀并伴随机械性能损失。碱性阴离子交换膜燃料电池中的水管理也被证明是一项挑战。最近的研究表明，仔细平衡原料气体的湿度可以显着提高燃料电池的性能。