摘 要：本文综述了碱性燃料电池，特别是阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的现状和发展前景。近二十年来，因有望使用非贵金属催化剂以及在碱性条件下更强的氧还原活性，有关AEMFC的研究开始增多，以取代昂贵的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。虽然许多文献中都声称制作出了高性能的AEMFC，有些输出密度甚至超过2000mW/cm2，然而其只能在非常有限的操作条件下实现。AEMFC在实际应用中仍存在许多技术挑战，包括开发具有高导电性和高耐用性的AEM，以及活性非贵金属电催化剂（分别针对阳极和阴极）。在AEM方面，阳离子基团（主要是季铵盐基团）在低水合水平（或低湿度）下不稳定，这会导致膜的迅速劣化。在碱性条件下氢氧化反应活性比在酸性条件下慢得多。本文介绍了近年来关于这些问题的一些研究。
关键字：碱性燃料电池（AFC），阴离子交换膜（AEM），膜电极组件（MEA），非贵金属催化剂，质子膜燃料电池
1、前言
燃料电池的工作原理于近200年前被发明出来，日本率先实现了在家用电源（Ene-Farm）和燃料电池汽车（FCEV）上的实用化，为广大消费者所熟知。虽然尚未实现全面普及，但众所周知，随着众多科学技术人员的不断努力，以及为了缓和全球变暖对环境的巨大影响，将加快氢能社会的实现。在本文中，笔者（AIpatent认证专家库成员，欲知详情可联络support@aipatent.com）将讨论50年后的碱性燃料电池。
回顾过去50年间燃料电池领域技术开发的显著进步可知，预测50年后的未来是相当困难的，且会无意识地融入个人的主观想法。因此，在本文中，笔者将主要从构成材料的观点出发，对碱性（特别是阴离子交换膜）燃料电池的现状、课题以及未来的发展进行整理，如有不当之处，敬请指正。
碱性燃料电池即使在较低的工作温度下也易于获得高效率和高性能，因此1960～1970年左右以美国为中心进行了大量研究。实际上，在阿波罗（Apollo）、航天飞机（Space Shuttle）等宇宙飞船、以及深海潜水艇中，已经证实由碱性燃料电池（以浓氢氧化钾水溶液为电解质）组成的数十kW的电池组，运行数万小时仍能保持耐久性。然而，若使用含有二氧化碳的空气和氢气，则由于氢氧根离子中和而生成的碳酸盐就会析出，导致电解质电阻增大，因此必须使用纯氧或纯氢，由此产生的高成本成为难题。自上世纪80年代以来，使用酸性质子交换膜（PEM）作为电解质的固体聚合物燃料电池的发展迅速，在相同的工作温度范围内实现了同等程度以上的性能，因此碱性燃料电池的研发脚步被迫放缓。
图1 （a）质子膜和（b）阴离子膜燃料电池的原理图
然而，进入21世纪，人们开始关注质子膜燃料电池和碱性（阴离子膜）燃料电池的结合。图1显示了质子膜和阴离子膜燃料电池各自的原理，表1对比了两者的特征、构成材料与缺点。虽然整体的电池反应相同，但由于电解质中导电离子的电荷不同，因此离子的运动方向和各电极的化学反应不同。
质子膜燃料电池使用全氟磺酸质子膜和铂（或铂合金）作为电极催化剂，实现了高性能和高耐久性；另一方面，随着具有与氢氧化钾水溶液相同电导率的阴离子膜的开发，阴离子膜燃料电池的性能得到了极大的改善。与氢氧化钾水溶液不同，该阴离子膜的特征是即使含有少量的二氧化碳也不会析出碳酸盐，而是通过自吹扫机制驱动（从阳极侧将膜和催化层中所含的二氧化碳排出），从而抑制电阻增大。由于其是碱性的，因此可以使用非贵金属作为电极催化剂，然而最大的问题是，目前的阴离子膜在稳定性及性能方面仍然无法与全氟磺酸膜匹敌。
表1 质子膜和阴离子膜燃料电池的组成材料和特征
2、阴离子交换膜燃料电池的性能和耐久性
为展示迄今为止开发的阴离子膜燃料电池的性能，笔者以出版年份为横轴，绘制了代表文献中阴离子膜燃料电池的临界电流密度和最大输出密度的散点图（图2、两种燃料均为氢气）1）。2000～2010年左右，由于当时电解质膜的氢氧根离子电导率低（<10-20mS/cm、水中），因此未能获得较大的电流密度，最大输出密度也只有50mW/cm2左右，性能很低。
2010年以后，以美国为中心，对阴离子膜燃料电池的研发投资大幅增加，参与该领域的研究人员数量也逐渐增加。与此同时，阴离子膜的性能得到提高，从而阴离子膜燃料电池的性能得到飞跃性的改善。特别是从2015年左右开始，其性能显著提高：2018年时，临界电流密度超过5A/cm2，最大输出密度约为2W/cm2 2）。
图2 文献中阴离子膜燃料电池性能（临界电流密度和最大输出密度）的变化
仅从数值来看，其性能与质子膜燃料电池相比毫不逊色，已经达到了可实用化的水平。此外，虽然未来其性能可能无法继续保持如此快的提升速度（图中的加粗虚线），但可以预测，到2030年，有望达到临界电流密度8A/cm2和最大输出密度4W/cm2（未加粗虚线）的目标。
然而，直接讨论文献中报告的性能数值或将其相互比较并无实际意义，因为催化剂的担载量、工作温度和湿度等条件完全不同，且未必被调试到最优值。多数情况下，电极催化剂中仍使用Pt等贵金属，因此相对于质子膜燃料电池不具有优势（目的就是为了不使用贵金属）。而且，为了达到高电流密度，大多数的发电测试结果都是在大量施加背压、或使用过量燃料气体（例如，以lL/min的流速向lcm2的小电池供给氢气和氧气，利用率非常低）等特殊条件下产生的。
此外，关于阴离子膜燃料电池的耐久性，部分文献中报告持续运行时间在数千小时左右。由于相对于性能，耐久性更容易受运行条件的影响，因此本文没有如性能那样，用图线表示其随年份的变化。值得引起注意的是，文献报告耐久性是在限定条件下达成的，高耐久性与高性能尚未能同时实现。
3、阴离子膜的现状