質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池（pEMFC）是具有高比功率、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)的發(fā)電裝置，近年來(lái)仍是燃料動(dòng)力電池領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。其核心部件膜電極（MEA）通常由氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜通過(guò)熱壓工藝制備而成，質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙等關(guān)鍵材料對(duì)pEM-FC的電性能起到?jīng)Q定性的用途。目前用于質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料，幾乎全部依靠進(jìn)口，有以下幾種典型的進(jìn)口材料的來(lái)源：美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列質(zhì)子交換膜，日本東麗公司生產(chǎn)的TGp-H系列碳紙，英國(guó)Johnsonmatthey公司生產(chǎn)的鉑催化劑。國(guó)外生產(chǎn)的燃料動(dòng)力電池關(guān)鍵材料的價(jià)格昂貴，而且存在對(duì)我國(guó)進(jìn)行壟斷控制的不利因素。因此大力研制國(guó)產(chǎn)燃料動(dòng)力電池材料，并利用國(guó)產(chǎn)材料開(kāi)發(fā)燃料動(dòng)力電池部件及電堆，進(jìn)行燃料動(dòng)力電池的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)具有十分重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究在眾多的國(guó)產(chǎn)燃料動(dòng)力電池關(guān)鍵材料中選用山東東岳神舟新材料、北京金能燃料動(dòng)力電池、上海河森電氣、上海攀業(yè)氫能源等公司的國(guó)產(chǎn)材料制作單電池，比較了不同成分與載量的平整層、催化層對(duì)電池性能的影響，探索適合于國(guó)產(chǎn)材料的燃料動(dòng)力電池部件的制作工藝，并為開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)材料燃料動(dòng)力電池電堆進(jìn)行了膜電極放大實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1膜電極五合一的制備

將納米活性碳與聚四氟乙烯（pTFE）乳液按一定比例混合，加入一定量的分散劑,通過(guò)超聲波均勻混合形成漿液。將該漿液均勻地涂布到經(jīng)過(guò)憎水化處理的國(guó)產(chǎn)碳紙上。然后將處理后的碳紙放在330～360℃的高溫下燒結(jié)60min，去除pTFE乳液中所含的表面活性劑及分散劑,同時(shí)使pTFE塑化燒結(jié)，均勻地分散在碳紙纖維表面上，形成均勻的憎水網(wǎng)絡(luò)。將含有pt/C催化劑、全氟磺酸樹(shù)脂溶液、異丙醇超聲混合后的漿料均勻地噴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜表面上。最后將制備好的擴(kuò)散層置于噴有催化劑的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，形成五合一的膜電極組件。

1.2電池組裝和測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用單電池評(píng)價(jià)燃料動(dòng)力電池的性能,電極有效面積為5、25cm2；實(shí)驗(yàn)以氫氣、空氣為反應(yīng)氣,過(guò)量系數(shù)分別為1.5和2.0；操作溫度和增濕溫度均為50℃；電池反應(yīng)系統(tǒng)壓力為常壓。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)電子負(fù)載控制電流輸出,記錄電壓值,測(cè)定性能極化曲線。

2.結(jié)果與討論

2.1平整層中pTFE與碳粉的載量對(duì)單電池性能影響

為了考察pTFE對(duì)pEMFC電性能的影響，在制作平整層的碳粉漿料時(shí)，分別制作了pTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%、30%的混合漿料，并將含有不同pTFE含量的漿料涂布在憎水化處理的國(guó)產(chǎn)碳紙上，在相同工藝條件下分別制備組裝了pEMFC，并對(duì)單電池進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著pTFE含量的新增，電池的性能隨之新增，當(dāng)pTFE載量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的時(shí)候，電池的性能達(dá)到最好，此后將pTFE的載量新增到30%時(shí)，電池的性能反而有所下降。這可能是因?yàn)樵诟邷叵拢琾TFE燒結(jié)塑化，平整層均勻分布在基底層上，形成憎水網(wǎng)絡(luò)。新增pTFE含量，平整層的憎水性新增，減小電極被水淹的可能性，同時(shí)可防止納米催化劑滲透到碳紙的孔隙中去，因而電池的性能隨pTFE含量的新增而新增。然而當(dāng)pTFE含量過(guò)高時(shí)，憎水網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積過(guò)大，減小了碳紙的孔隙，降低氣體擴(kuò)散速率，同時(shí)也新增了電池的內(nèi)阻，因而會(huì)導(dǎo)致電池的性能有所下降。

為了考察平整層的碳粉載量對(duì)電池性能的影響，在碳紙上涂布不同載量的碳粉，并制成五合一膜電極，裝配成單電池進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，電池的性能隨著碳粉載量的新增而新增，當(dāng)載量達(dá)到1.6mg/cm2時(shí)，電池性能有了明顯的提高，當(dāng)載量達(dá)到2.0mg/cm2時(shí)，電池性能最好，此后再新增碳粉的載量，當(dāng)載量達(dá)到2.4mg/cm2時(shí)，電池的性能反而有所下降。這是由于碳粉載量的多少直接決定了擴(kuò)散層的厚度。盡管擴(kuò)散層較薄時(shí),氣體傳遞路徑短,電池工作時(shí)能保證充足的氣體到達(dá)催化層參與反應(yīng)，但是碳粉載量過(guò)低,還可能發(fā)生催化劑滲漏到氣體擴(kuò)散層的情況,縮小了三相反應(yīng)區(qū),影響電極性能。同樣碳粉載量也不宜過(guò)高,否則擴(kuò)散層較厚,會(huì)導(dǎo)致氣體通道和電子通道減少，以及可能使電池陰極發(fā)生“水淹”現(xiàn)象，降低電池性能。

2.2催化層中全氟磺酸樹(shù)脂與催化劑的載量對(duì)單電池性能的影響

為了考察全氟磺酸樹(shù)脂載量對(duì)電池的性能影響，分別用不同質(zhì)量的全氟磺酸樹(shù)脂溶液與催化劑、異丙醇超聲混合成漿液，將漿液噴涂在國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜上，分別制作單電池進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著全氟磺酸樹(shù)脂含量的新增，電池的電性能隨之新增，當(dāng)全氟磺酸樹(shù)脂的含量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，電池的電性能達(dá)到最好，全氟磺酸樹(shù)脂含量新增到26%時(shí)，性能有所下降，而當(dāng)全氟磺酸樹(shù)脂含量新增到30%，電池性能急劇下降。這是由于新增全氟磺酸樹(shù)脂的含量，能夠增大催化層的反應(yīng)區(qū)域，新增了質(zhì)子通道，提高了反應(yīng)區(qū)立體化效果，有利于提高電池性能。然而過(guò)多的全氟磺酸樹(shù)脂使得電極的親水性較強(qiáng)，氣體傳遞能力下降，表現(xiàn)出明顯的傳質(zhì)極化損失。當(dāng)全氟磺酸樹(shù)脂含量提高到30%時(shí)，一方面電極的“水淹”嚴(yán)重，另一方面過(guò)量的全氟磺酸樹(shù)脂會(huì)降低電極的孔隙率，造成過(guò)大的傳質(zhì)阻力，并可能大面積地包裹催化劑，降低催化劑的利用率，導(dǎo)致電池性能迅速衰減。

為了考察催化劑載量對(duì)電池性能的影響，將噴涂有不同催化劑載量的質(zhì)子交換膜制作成單電池，分別進(jìn)行測(cè)試，研究結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可知，pt載量為1.2mg/cm2時(shí)，電池的性能最好。催化劑載量較少時(shí)（如0.4mg/cm2），電池發(fā)電性能較差，可能是由于催化層太薄，催化劑活性中心較少使得反應(yīng)不充分，導(dǎo)致電池性能較差；但當(dāng)催化劑載量較多時(shí)，電池的性能反而下降，如pt載量為2.0mg/cm2的電池性能比0.8mg/cm2的電池性能還低，最高比功率低于360mW/cm2。這可能是由于催化劑載量較大時(shí)，催化層過(guò)厚，造成了反應(yīng)傳質(zhì)困難，致使電池性能下降。

2.3活性面積對(duì)電池性能的影響

為了考察國(guó)產(chǎn)材料燃料動(dòng)力電池的應(yīng)用，將國(guó)產(chǎn)材料按上述改進(jìn)工藝的方法制備活性面積為25cm2膜電極，與活性面積為5cm2膜電極的性能比較測(cè)試如圖5所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)膜電極活性面積放大5倍后，電池性能在大電流放電區(qū)域有所下降，但是電池在實(shí)際應(yīng)用電壓0.5V至開(kāi)路區(qū)間的電性能幾乎沒(méi)有衰減。這表明，國(guó)產(chǎn)材料進(jìn)行大面積電堆的研制具有很好的前景。

3結(jié)論

利用國(guó)產(chǎn)石墨碳紙、國(guó)產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜、國(guó)產(chǎn)pt/C催化劑等燃料動(dòng)力電池關(guān)鍵材料，通過(guò)CCM工藝制作了國(guó)產(chǎn)材料pEMFC。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，擴(kuò)散層的碳粉載量以及pTFE的含量對(duì)電池的性能都有很大的影響，在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)條件下，最佳的平整層成分與載量是pTFE的含量為30%；碳粉載量為2.0mg/cm2。同樣，催化層的組成和載量也直接影響電池的性能，在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)條件下，全氟磺酸樹(shù)脂的含量為20%，催化劑載量為1.2mg/cm2是較適宜的催化層成分與載量。本研究所制備的國(guó)產(chǎn)材料燃料動(dòng)力電池膜電極I-V性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好，這為國(guó)產(chǎn)材料質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池電堆的開(kāi)發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。