質子交換膜燃料電池膜電極組件的製備

圖1為微孔層采用不同碳粉載量的對電極性能的影響。除了碳粉載量外，製備電極的其它參數分別為：氣體擴散層中微孔層中PTFE的質量分數為30%，催化劑層中Pt載量為0.3 mg/cm2，Nafion質量分數為25 wt.%。從圖可以看出，隨著碳粉質量分數的增加，電池的極化性能提高
，當碳粉的載量為2mg/cm2時

，電池極化性能最好；碳tan粉fen載zai量liang進jin一yi步bu增zeng加jia時shi，電dian池chi的de極ji化hua性xing能neng反fan而er下xia降jiang。可ke見jian碳tan粉fen的de載zai量liang對dui電dian池chi的de極ji化hua性xing能neng有you較jiao大da的de影ying響xiang。這zhe可ke能neng是shi由you於yu碳tan粉fen載zai量liang過guo低di時shi
，微wei孔kong層ceng變bian薄bo，部bu分fen催cui化hua劑ji滲shen透tou到dao碳tan紙zhi孔kong隙xi中zhong，降jiang低di了le催cui化hua劑ji的de利li用yong率lv，從cong而er導dao致zhi電dian池chi性xing能neng下xia降jiang；ranerguogaodetanfenzailianghuidaozhiqitikuosancengbianhou，zaiyidingchengdushangfanerzuaifanyingqitixiangcuihuajicengdekuosan，yingxiangfanyingshengchengdeshuijishipaifang，zhishidianjidianzuzengda。shiyanjieguobiaoming，tanfenzailiangyuewei2mg/cm2 時，電池極化性能最好。

氣體擴散層的微孔層中PTFE與碳粉的質量百分比對電流密度的影響如圖2所示，除PTFE與碳粉的質量百分比例外，製備電極的其它參數分別為：碳粉載量為2 mg/cm2，催化層中Pt載量為0.3mg/cm2

，Nafion百分含量為25 wt.%。從圖2可以看出，微孔層中PTFE與碳粉的質量比為7:3時電極電流密度較高。試驗結果表明
，隨著擴散層中PTFE含量的增加，電極憎水能力增加，有利於反應氣體擴散參與電化學反應，以及產物水及時排出。但由於PTFE為不導電物質，含量過高則會使電極內阻增加，電極性能下降。可見，氣體擴散層中PTFE含量過低，電池反應生成的水不易有效排出，從而阻礙反應氣體向催化劑層擴散參與電化學反應
，導致電極性能下降。

圖2 PTFE/碳粉的比例對極化性能的影響

由於PEMFC采cai用yong固gu體ti電dian解jie質zhi，它ta的de磺huang酸suan根gen固gu定ding在zai構gou成cheng質zhi子zi交jiao換huan膜mo的de樹shu脂zhi，不bu會hui浸jin入ru電dian極ji內nei
，因yin此ci為wei確que保bao反fan應ying在zai電dian極ji催cui化hua層ceng內nei進jin行xing，必bi須xu在zai電dian極ji催cui化hua內nei建jian立li離li子zi通tong道dao。為wei此ci需xu在zai催cui化hua層ceng內nei添tian加jia質zhi子zi交jiao換huan樹shu脂zhi

，在zai催cui化hua層ceng的de由youPt電催化劑構成的網絡內建立一個由樹脂構建的H+傳導係統。使用Nafion作zuo為wei粘zhan劑ji其qi主zhu要yao功gong能neng是shi作zuo為wei質zhi子zi導dao體ti浸jin入ru催cui化hua層ceng，從cong而er可ke以yi有you效xiao地di擴kuo大da電dian極ji反fan應ying地di比bi表biao麵mian積ji，以yi促cu進jin質zhi子zi在zai催cui化hua層ceng微wei孔kong的de傳chuan遞di，同tong時shi能neng夠gou提ti高gao鉑bo的de利li用yong率lv，降jiang低di的de載zai量liang。但dan是shiNafion是親水性的，且對電子絕緣，催化層中如質量分數過高時，部分或者大部分電催化劑被Nafion包裹，由於Nafionbuchuandaodianzi，qieduanlediantongdao，zhebufendiancuihuajibunengcuihuayangdedianhuaxuehaiyuanhuoqingdedianhuaxueyanghuafanying，tongshicuihuajibiaomiangutijuhewudianjiezhizaicuihuajibubiandetiaojianxiazenghou
，zengdazhizichuandidezuli
，yebuliyufanyingqitidechuanshu，shidianjixingnengjiangdi；當Nafion質量分數偏少時，不能形成良好的傳導網絡
，也阻礙了電化學反應的進行
；部分催化劑未能與Nafion接觸，催化劑表麵無質子通道，故這部分催化劑不能起作用

，催化劑利用率低，電池性能差。所以Nafion質量分數有一個最佳值。從圖可以看出

，電池的性能隨著Nafion質量分數的增加而提高，這是因為Nafion質量分數的增加可以改善其與Pt顆粒的接觸，從而使催化層的質子傳遞阻力減小，提高反應過程中質子的傳導。當40%Pt/C與Nafion的質量比為3:1時，電池的性能達到最最佳。當Nafion繼續增加時

，過多的Nafion包裹Pt催化劑，阻止了催化劑參加電化學反應
，Pt的利用率降低
，電池的性能變差。因此當40%Pt/C與Nafion的質量比為3:1時，電池的性能最好。

圖3 40%Pt/C催化劑與Nafion的質量比對電流密度的影響 圖4是不同催化劑與Nafion的質量比對循環伏安曲線的影響。在0～1.2V的掃描區間可以將其分為3個不同電化學區間[17]：0～0.35V對應氫的吸/脫附區域，0.35～0.60V對應雙電層區域，0.60～1.20V對應高電位區域。當40%Pt/C:Nafion為3:1時，對應的氫吸/脫附區間的麵積明顯大於其它比例時的情況，表明前者對應的庫侖電量高於後者
；而庫侖電量的增大說明氫的吸/脫附點的增多，這間接表明了Pt的活性點的增大，活性麵積增多，Pt的利用率提高
，MEA的性能較好。

催化層中加Nafion溶液，有利於質子和電子的傳導，減少質子和電子傳遞時的阻力。但若添加過量的Nafion溶液
，會使得部分Nafion包覆在Pt顆粒的表麵，阻礙了Pt顆粒與反應氣的充分接觸，使得這部分Pt不能參與電化學反應
，減小了活性中心，從而降低了Pt的利用率。由圖4可明顯看出
，40%Pt/C: Nafion為3:1時，活性麵積最大，Pt的利用率最高。結合圖3發現相應的MEA的放電性能最高。

圖4 不同催化劑與Nafion的質量比對循環伏安曲線的影響 圖5是催化劑與Nafion質量比對MEA的EIS的影響。圖5左邊是高頻區域，中間是中頻區域

，右邊是低頻區域[21]。通過等效電路[22]可以模擬出圖5對應的阻抗值
，結果如表1。由表可見，催化劑與Nafion的比例對電池的電阻大小有比較明顯的影響。當40%Pt/C催化劑與Nafion的比例小於3:1時，電池的歐姆阻抗和電荷傳遞阻抗較大，電池性能較差；當此比例增加到3:1時，歐姆阻抗和電荷傳遞阻抗減小對應的電池性能提高
；進一步提高催化劑與Nafion的比例
，電池的歐姆阻抗和電荷傳遞阻抗反而又增加。由於催化層的內部結構由Pt/C團聚體構成，可能由於Nafion隻能存在於大孔中並覆蓋Pt/C團聚體。氧在催化層中經曆擴散、溶解以及傳遞的過程
，含Nafion較少的孔意味著催化活性點的質子少，氧的濃度低，因此，電極性能變差。隨著Nafion質量分數的增加，氧的濃度和離子電導率增加
，電極性能得到提高

，但過多的Nafion也會增大質子傳遞阻力和增加電極電阻，這個結果和Kaufman [10]認為的一致。 表1 等效電路圖分析結果

Pt/C與Nafion質量比 歐姆阻抗 R/Ω 電感 L/ H e-6 電荷傳遞阻抗R/Ω 3:2 0.038 1.32 0.036 3:1 0.034 1.43 0.015 6：1 0.040 1.57 0.018 9：1 0.035