国产材料燃料电池膜电极的性能研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是具有高比功率、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点的发电装置，近年来仍是燃料电池领域中的研究热点。其核心部件膜电极 （MEA）通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压 工艺制备而成，质子交换膜、催化剂、碳纸等关键材料对PEM-FC的电性能起到决定性的作用。目前用于质子交换膜燃料 电池的关键材料，几乎全部依靠进口，有以下几种典型的进口 材料的来源：美国杜邦公司生产的Nafion系列质子交换膜，日本东丽公司生产的TGP-H系列碳纸，英国Johnson matthey公司生产的铂催化剂。国外生产的燃料电池关键材料的价格 昂贵，而且存在对我国进行垄断控制的不利因素。因此大力研制国产燃料电池材料，并利用国产材料开发燃料电池部件及 电堆，进行燃料电池的国产化开发具有十分重要的战略意义和现实意义。

本研究在众多的国产燃料电池关键材料中选用山东东岳神舟新材料、北京金能燃料电池、上海河森电气、上海攀业氢能源等公司的国产材料制作单电池，比较了不同成分与载量的平整层、催化层对电池性能的影响，探索适合于国产材料的燃料电池部件的制作工艺，并为开发国产材料燃料电池电堆进行了膜电极放大实验。

1.实验

1.1膜电极五合一的制备

将纳米活性碳与聚四氟乙烯（PTFE）乳液按一定比例混合，加入一定量的分散剂,通过超声波均匀混合形成浆液。将 该浆液均匀地涂布到经过憎水化处理的国产碳纸上。然后将 处理后的碳纸放在330～360℃的高温下烧结60 min，去除 PTFE乳液中所含的表面活性剂及分散剂,同时使PTFE塑化 烧结，均匀地分散在碳纸纤维表面上，形成均匀的憎水网络。 将含有Pt/C催化剂、全氟磺酸树脂溶液、异丙醇超声混合后 的浆料均匀地喷涂在经过预处理的国产质子交换膜表面上。最后将制备好的扩散层置于喷有催化剂的质子交换膜两侧，形成五合一的膜电极组件。

1.2电池组装和测试

实验中采用单电池评价燃料电池的性能,电极有效面积 为5、25 cm2；实验以氢气、空气为反应气,过量系数分别为1.5 和2.0；操作温度和增湿温度均为50℃；电池反应系统压力为 常压。实验中通过调节电子负载控制电流输出,记录电压值, 测定性能极化曲线。

2.结果与讨论

2.1平整层中PTFE与碳粉的载量对单电池性能影响

为了考察PTFE对PEMFC电性能的影响，在制作平整层 的碳粉浆料时，分别制作了PTFE质量分数为5%、10%、15%、 20%、25%、30%的混合浆料，并将含有不同PTFE含量的浆料涂布在憎水化处理的国产碳纸上，在相同工艺条件下分别制备组装了PEMFC，并对单电池进行了测试，实验结果如图1 所示。

从图1中可以看出，随着PTFE含量的增加，电池的性能 随之增加，当PTFE载量为25%(质量分数)的时候，电池的性 能达到最好，此后将PTFE的载量增加到30%时，电池的性能 反而有所下降。这可能是因为在高温下，PTFE烧结塑化，平整 层均匀分布在基底层上，形成憎水网络。增加PTFE含量，平 整层的憎水性增加，减小电极被水淹的可能性，同时可防止纳 米催化剂渗透到碳纸的孔隙中去，因而电池的性能随PTFE 含量的增加而增加。然而当PTFE含量过高时，憎水网络覆盖 面积过大，减小了碳纸的孔隙，降低气体扩散速率，同时也增 加了电池的内阻，因而会导致电池的性能有所下降。

为了考察平整层的碳粉载量对电池性能的影响，在碳纸 上涂布不同载量的碳粉，并制成五合一膜电极，装配成单电池 进行性能测试，测试结果如图2所示。

从图2中可以看出，电池的性能随着碳粉载量的增加而增加，当载量达到1.6 mg/cm2时，电池性能有了明显的提高，当载量达到2.0 mg/cm2时，电池性能最好，此后再增加碳粉的载量，当载量达到2.4 mg/cm2时，电池的性能反而有所下降。这是由于碳粉载量的多少直接决定了扩散层的厚度。尽管扩散层较薄时,气体传递路径短,电池工作时能保证充足的气体到达催化层参与反应，但是碳粉载量过低,还可能发生催化剂 渗漏到气体扩散层的情况,缩小了三相反应区,影响电极性能。同样碳粉载量也不宜过高,否则扩散层较厚,会导致气体通道和电子通道减少，以及可能使电池阴极发生“水淹”现象，降低电池性能。

2.2 催化层中全氟磺酸树脂与催化剂的载量对单电池性能的影响

为了考察全氟磺酸树脂载量对电池的性能影响，分别用不同质量的全氟磺酸树脂溶液与催化剂、异丙醇超声混合成浆液，将浆液喷涂在国产质子交换膜上，分别制作单电池进行性能测试。结果如图3所示。

从图3中可以看出，随着全氟磺酸树脂含量的增加，电池 的电性能随之增加，当全氟磺酸树脂的含量为20%（质量分数）时，电池的电性能达到最好，全氟磺酸树脂含量增加到 26%时，性能有所下降，而当全氟磺酸树脂含量增加到30%， 电池性能急剧下降。这是由于增加全氟磺酸树脂的含量，能够 增大催化层的反应区域，增加了质子通道，提高了反应区立体 化效果，有利于提高电池性能。然而过多的全氟磺酸树脂使得 电极的亲水性较强，气体传递能力下降，表现出明显的传质极化损失。当全氟磺酸树脂含量提高到30%时，一方面电极的 “水淹”严重，另一方面过量的全氟磺酸树脂会降低电极的孔 隙率，造成过大的传质阻力，并可能大面积地包裹催化剂，降 低催化剂的利用率，导致电池性能迅速衰减。

为了考察催化剂载量对电池性能的影响，将喷涂有不同催化剂载量的质子交换膜制作成单电池，分别进行测试，研究结果如图4所示。

从图4中可知，Pt载量为1.2 mg/cm2时，电池的性能最好。催化剂载量较少时（如0.4 mg/cm2），电池发电性能较差，可能是由于催化层太薄，催化剂活性中心较少使得反应不充分，导致电池性能较差；但当催化剂载量较多时，电池的性能反而下降，如Pt载量为2.0 mg/cm2的电池性能比0.8 mg/cm2 的电池性能还低，最高比功率低于360 mW/cm2。这可能是由于催化剂载量较大时，催化层过厚，造成了反应传质困难，致使电池性能下降。

2.3 活性面积对电池性能的影响

为了考察国产材料燃料电池的应用，将国产材料按上述 改进工艺的方法制备活性面积为25 cm2膜电极，与活性面积 为5 cm2膜电极的性能对比测试如图5所示。

从图5中可以看出，当膜电极活性面积放大5倍后，电池性能在大电流放电区域有所下降，但是电池在实际应用电压 0.5 V至开路区间的电性能几乎没有衰减。这表明，国产材料 进行大面积电堆的研制具有很好的前景。

3 结论

利用国产石墨碳纸、国产全氟磺酸质子交换膜、国产Pt/C 催化剂等燃料电池关键材料，通过CCM工艺制作了国产材 料PEMFC。通过实验研究表明，扩散层的碳粉载量以及PTFE 的含量对电池的性能都有很大的影响，在所进行的实验条件 下，最佳的平整层成分与载量是PTFE的含量为30%；碳粉载 量为2.0 mg/cm2。同样，催化层的组成和载量也直接影响电池 的性能，在所进行的实验条件下，全氟磺酸树脂的含量为 20%，催化剂载量为1.2 mg/cm2是较适宜的催化层成分与载 量。本研究所制备的国产材料燃料电池膜电极I-V性能优异， 稳定性好，这为国产材料质子交换膜燃料电池电堆的开发打 下了坚实的基础。