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1、Vol.24高等学校化学学报No.12003年1月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES140142[研究快报]新型自增湿膜电极的制备及其燃料电池性能王诚,毛宗强,徐景明,谢晓峰(清华大学核能技术设计研究院,北京1000S4)关键词质子交换膜;燃料电池;自增湿;水管理中图分类号TM911.4文献标识码A文章编号0251-0790(2003)01-0140-03质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以环境友好的方式输出高功率密度的电能,有望应用于动力电源~家用电源~通信电源及便携式电源等领域[1].在PEMFC的应用开发中,成本正在逐
2、渐降低,各种贮氢系统也相继出现.然而要使PEMFC实现产业化还必须简化复杂的运行系统,提高电池的功率体积比与功率质量比.为此,自增湿PEMFC被视为最有希望的燃料电池应用技术.自增湿膜电极是实现自增湿技术的根本途径.Watanae等[2]首先提出用Pt微粒与SiO或TiO掺杂在电解质膜中制备22自增湿MEA,Pt微粒有效地阻止了氢氧的交叉扩散,并在膜中产生水,进而湿润MEA.然而,Pt微粒在膜中的不均匀分散网络会形成电子通道,可能导致电池发生自放电现象.Dhar[3]提出用超薄电解质膜来增大电池阴极产生水的反扩散作用,实现自增湿MEA,但却增加了氢氧气体的交叉扩
3、散,甚至薄膜还可能破裂,降低了电池的寿命,YangTae-Hyun等[4]采用两层电解质膜之间溅射Pt微粒三合一结合的方法实现自增湿MEA,但这样会增大电池内阻.本文制备了一种成本低廉的新型自增湿2MEA,成功地实现了电池的自增湿,电池的最高功率密度达到了1.5W/cm.1实验部分1.1亲水氢电极制备将作为气体扩散层基底的碳纸(日本Tory公司)经超声波清洗30min,烘干后于室温晾干,在340处理30min.以水和乙醇为溶剂,将活性碳(VulcanXC-72,150目)与聚四氟乙烯PTFE(美国Dupont公司)乳液混合,用超声波振荡混匀后,将其均匀平整地铺在
4、处理过的碳纸表面,在340下烧结成气体扩散层,作为电极催化层的基底.然后将一定量的Pt/C(20%,JohnSon-Matthey公司)~Nafion(10%,美国Dupont公司)和二次蒸馏水加入烧杯中,置于超声波清洗池内,充分混合后,形成催化层墨水状物质,均匀喷涂在电极催化层基底上,在90下真空干燥,在120及氩气保护下热处理30min.最后催化层表面经特殊处置,制得亲水薄层氢电极,Pt载量为0.12mg/cm.1.2疏水氧电极制备气体扩散层基底采用30%聚四氟乙烯乳液处理,催化层墨水状物质由Pt/C(质量分数40%,JohnSon-Matthey公司),N
5、afion,PTFE,造孔剂和二次蒸馏水混和而成,其它操作同1.1节.制得电极的Pt载量为0.4mg/cm22.氢电极与氧电极的活性面积均为5cm.1.3自增湿膜电极制备在上述电极表面涂覆一定量的Nafion(质量分数5%)溶液后,将氢电极和氧电极与一片经过处理的Nafion112质子交换膜(美国Dupont公司)在6MPa和130下热压90min,制成由氢电极~氧电极和电解质膜构成的三合一膜电极(MEA).对Nafion112膜的处理是为了去除有机物及阳离子的污染并增加其表面的粗糙程度,更好地实现电极的立体化,增加三维反应区.1.4电化学测量用自增湿MEA组装
6、成单电池,反应气体采用纯氢与纯氧气体.在进入单电池前,经过调压并控制适当流量,直接通入干反应气体(自增湿操作),也可切换外加湿流程加湿反应气体(外加湿操作).电池放电曲线的电压电流分别稳定5min后进行采集.应用PerkinElmer263A电化收稿日期:2002-06-1S.基金项目:973氢能领域项目(批准号:G2000026410)资助.联系人简介:毛宗强(1947年出生),男,教授,博士生导师,从事氢能研究.E-mail:maozg@mail.tSinghua.edu.cnNo.1王诚等:新型自增湿膜电极的制备及其燃料电池性能141学测试仪测量PEMFC
7、在运行时的交流阻抗图谱.仪器的参比电极和辅助电极连接于PEMFC的氢电极,工作电极与氧电极连接,主要考察氧电极动力学.2结果与讨论非对称膜电极实现自增湿的关键技术主要集中在加强电化学反应产物水的反扩散作用上.从阴极向阳极净传递的水量能使氢电极处于湿润状态,这样可维持膜中的水平衡.本实验中的新型自增湿技术没有破坏电解质膜的微结构,电池性能高于WataHabe等[4]的自增湿实验结果.电池在放电工作时,阳极质子会结合水分子(每个质子结合水分子的个数约为O~2.5D通过质子交换膜向阴极传递,在不加湿反应气体时,通常的电极易干涸,并导致电池性能急剧衰减.因此,要实现自增
8、湿操作还必须保持阳极的高
