燃料电池由阳极、阴极和导电电解质组成，通常串联连接而形成电池堆，从而提高产生的总电量。其电极由多孔材料组成，且表面涂布催化剂以产生电能。根据所用电解质的类型，燃料电池主要分为五大类：聚合物电解质膜、固体氧化物、磷酸、碱和熔融碳酸盐。聚合物电解质膜也称质子交换膜（PEM），该技术被认为最有望替代碱性燃料电池技术。
凭借高效率、低排放和低环境影响，燃料电池已经成为一种优于传统燃烧引擎的替代技术。燃料电池只产生热量和废物水，所以有望成为未来电源的候选对象，可用于包括便携式设备、固定式设备和运输解决方案在内的各种应用。
默克燃料电池解决方案
燃料电池
固体氧化物燃料电池
- 电极和电解质材料
- 燃料电池催化剂
质子交换膜燃料电池
膜、储氢材料
燃料电池的工作原理
燃料电池通过电催化发电，方式类似于普通电池。在燃料电池中，电极不被消耗，燃料电池消耗阳极处的燃料（PEM燃料电池的氢），并在阴极处消耗来自空气的氧。
在阳极处使用催化剂促进氢的质子和电子的分离。质子穿过膜材料到达阴极，而电子通过外部电路到达阴极，在那里它们与阴极催化剂的质子和氧结合形成水并完成循环。阳极 / 膜 / 阴极层的组合称为膜电极组件（MEA）。
为了组成一个完整的电池，MEA通常夹在气体扩散层和气体流场之间，气体流场将反应物分配到电极，并从反应中收集电流。每个电池产生的电压小于1伏特，因此需要将许多电池串联起来，才能产生有用的电压水平。
3.质子交换膜(PEM)燃料电池
3.1质子交换膜(PEM)燃料电池组份
燃料电池装置通常由串联形成电堆的多个燃料电池组成（图1），从而增加了总电量。每个单独的燃料电池包含三个主要组件：两个电极（阳极、阴极）和导电电解质。对于PEM燃料电池，每个电极由浸有电催化剂（通常为铂或铂合金）的多孔高比表面积材料构成。电解质材料是聚合物膜，并且用作离子导体。
燃料电池中电的产生由两个主要化学反应驱动（图2）。对于以纯H2工作的燃料电池，氢气在阳极电解成质子和电子。质子通过电解质膜传导，电子在膜周围流动，产生电流。带电离子（H+和e-）在阴极和氧结合，产生水和热。
图 1.由多个燃料电池组成的电池组示意图
图 2.PEM燃料电池的主要组份和电化学反应示意图
3.2质子交换膜(PEM)燃料电池催化剂
铂对氢氧化具有很高的活性，仍然是常用的电催化剂材料。燃料电池研究的一个主要领域是降低铂含量，同时不会降低电池性能，从而提高装置的整体成本效益。这可以通过使用由铂纳米颗粒制造、承载在导电碳（货号738581、738549和738557）上的工程化催化剂来实现。这些材料的优点在于纳米颗粒的分散度高（图3）、电催化比表面积 (ESA) 高、高温下颗粒生长慢 - 甚至是在Pt负载量较高的情况下。
含Pt的合金适用于以甲醇或重整气（H2、CO2、CO和N2）等专用燃料源工作的装置。例如，相对于纯Pt电催化剂，Pt/Ru 合金在甲醇氧化和一氧化碳中毒方面的性能提高。 Pt3Co是感另一种目标催化剂（特别是用于PEMFC阴极），对氧还原反应的性能强，稳定性高。
图 3.Pt/C催化剂（左）和Pt3Co/C催化剂（右）的代表性TEM图，示出了高比表面积碳载体上高度分散的纳米颗粒。
3.3膜研究
有两个主要关注领域：在整个汽车操作条件范围内的耐用性和性能。在传统的PFSA膜中，电导率随着磺酸基团浓度的增加而增加，然而这导致膨胀增加和膜稳定性降低。最近在膜稳定性方面取得了重大进展。化学稳定性已通过减少聚合物中羧基端基的数量而得以提高，并同时通过使用惰性支撑材料，如PTFE（货号430935、430943、468096、468118、182478）、聚砜（货号428302、182443）和聚酰亚胺（货号23817）来提高机械稳定性。增强膜在25 °C和30％RH时的杨氏模量超过了500 MPa，而未增强膜的杨氏模量约为200 MPa。类似地，对于增强膜，观察到在所有温度和湿度水平下更高的比例极限应力和更高的断裂应力，以及由于溶胀而引起的更低尺寸变化。 含有稳定MEA的单电池已在电压和湿度循环下运行了近5,000小时（2015年目标）。另一种具有机械稳定膜和Pt合金阴极催化剂的单电池最近通过电压和被动湿度循环实现了超过7,300小时的稳定运行。
解决膜在高温和低相对湿度操作条件下的性能的项目采用以下策略中的一种或多种。通过在同一聚合物分子内引入疏水和亲水官能团的单独嵌段，或通过生成双聚合物复合物（其中一种聚合物提供机械强度而另一种聚合物传导质子），可以引入相分离。无机氧化物、杂多酸或离子液体等非水性质子导体，使燃料电池能够在高于100 ℃的温度下工作。在更高温度下保持水含量和电导率的亲水性添加剂也在考虑中。 数位研究人员已经达到了在30 ºC和80％相对湿度下70 mS/cm的DOE临时电导率目标。
默克清洁能源电池解决方案覆盖锂电池、燃料电池、太阳能电池以及储氢材料。在燃料电池的研究工作中我们会向客户提供固态氧化物燃料电池所需的电极、电解质、催化剂等材料，以及质子交换膜燃料电池所需的膜等材料。
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