質(zhì)子交換膜燃料動力電池（pEMFC）是具有高比功率、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動、環(huán)境友好等優(yōu)點的發(fā)電裝置，近年來仍是燃料動力電池領(lǐng)域中的研究熱點。其核心部件膜電極（MEA）通常由氣體擴散層、催化層和質(zhì)子交換膜通過熱壓工藝制備而成，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)子交換膜燃料動力電池的關(guān)鍵材料，幾乎全部依靠進口，有以下幾種典型的進口材料的來源：美國杜邦公司生產(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Johnsonmatthey公司生產(chǎn)的鉑催化劑。國外生產(chǎn)的燃料動力電池關(guān)鍵材料的價格昂貴，而且存在對我國進行壟斷控制的不利因素。因此大力研制國產(chǎn)燃料動力電池材料，并利用國產(chǎn)材料開發(fā)燃料動力電池部件及電堆，進行燃料動力電池的國產(chǎn)化開發(fā)具有十分重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

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

1.實驗

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,通過超聲波均勻混合形成漿液。將該漿液均勻地涂布到經(jīng)過憎水化處理的國產(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、全氟磺酸樹脂溶液、異丙醇超聲混合后的漿料均勻地噴涂在經(jīng)過預處理的國產(chǎn)質(zhì)子交換膜表面上。最后將制備好的擴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電池組裝和測試

實驗中采用單電池評價燃料動力電池的性能,電極有效面積為5、25cm2；實驗以氫氣、空氣為反應氣,過量系數(shù)分別為1.5和2.0；操作溫度和增濕溫度均為50℃；電池反應系統(tǒng)壓力為常壓。實驗中通過調(diào)節(jié)電子負載控制電流輸出,記錄電壓值,測定性能極化曲線。

2.結(jié)果與討論

2.1平整層中pTFE與碳粉的載量對單電池性能影響

為了考察pTFE對pEMFC電性能的影響，在制作平整層的碳粉漿料時，分別制作了pTFE質(zhì)量分數(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產(chǎn)碳紙上，在相同工藝條件下分別制備組裝了pEMFC，并對單電池進行了測試，實驗結(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pTFE載量為25%(質(zhì)量分數(shù))的時候，電池的性能達到最好，此后將pTFE的載量新增到30%時，電池的性能反而有所下降。這可能是因為在高溫下，pTFE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pTFE含量過高時，憎水網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積過大，減小了碳紙的孔隙，降低氣體擴散速率，同時也新增了電池的內(nèi)阻，因而會導致電池的性能有所下降。

為了考察平整層的碳粉載量對電池性能的影響，在碳紙上涂布不同載量的碳粉，并制成五合一膜電極，裝配成單電池進行性能測試，測試結(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，當載量達到1.6mg/cm2時，電池性能有了明顯的提高，當載量達到2.0mg/cm2時，電池性能最好，此后再新增碳粉的載量，當載量達到2.4mg/cm2時，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散層的厚度。盡管擴散層較薄時,氣體傳遞路徑短,電池工作時能保證充足的氣體到達催化層參與反應，但是碳粉載量過低,還可能發(fā)生催化劑滲漏到氣體擴散層的情況,縮小了三相反應區(qū),影響電極性能。同樣碳粉載量也不宜過高,否則擴散層較厚,會導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脂與催化劑的載量對單電池性能的影響

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

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

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

從圖4中可知，pt載量為1.2mg/cm2時，電池的性能最好。催化劑載量較少時（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不充分，導致電池性能較差；但當催化劑載量較多時，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，催化層過厚，造成了反應傳質(zhì)困難，致使電池性能下降。

2.3活性面積對電池性能的影響

為了考察國產(chǎn)材料燃料動力電池的應用，將國產(chǎn)材料按上述改進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試如圖5所示。

從圖5中可以看出，當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，但是電池在實際應用電壓0.5V至開路區(qū)間的電性能幾乎沒有衰減。這表明，國產(chǎn)材料進行大面積電堆的研制具有很好的前景。

3結(jié)論

利用國產(chǎn)石墨碳紙、國產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜、國產(chǎn)pt/C催化劑等燃料動力電池關(guān)鍵材料，通過CCM工藝制作了國產(chǎn)材料pEMFC。通過實驗研究表明，擴散層的碳粉載量以及pTFE的含量對電池的性能都有很大的影響，在所進行的實驗條件下，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，在所進行的實驗條件下，全氟磺酸樹脂的含量為20%，催化劑載量為1.2mg/cm2是較適宜的催化層成分與載量。本研究所制備的國產(chǎn)材料燃料動力電池膜電極I-V性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好，這為國產(chǎn)材料質(zhì)子交換膜燃料動力電池電堆的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。