超低铂担量质子交换膜燃料电池电极

　　电源技术研究与设计超低铂担量质子交换膜燃料电池电极邵志刚，衣宝廉韩明，乔亚光，刘浩（中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023）所燃料电池工程中心制备的电极，铂担量已降到0.08mg/cm2本文使用循环伏安、扫描电镜、电池评价等方法对这种电极进行了分析、表征，其催化剂利用率可以达到30%，催化层厚度大约为5m用这种电极与Nafion112组装的电池，性能可达到750mA/cm2，0. 7V：燃料电池；质子交换膜；电极；铂担量为使PEMFC进入商业化，必须降低其制作成本。其制作成本主要集中在电极、电解质膜、极板三个方面。为降低电极制作成本，需降低电极的铂担量，提高催化剂的利用率。

　　国际上在这方面进行了大量的研究工作。1990年，加拿大Ballard公司研制的第一代质子交换膜燃料电池MK5电池组，使用纯铂为催化剂，其电极铂担量为4mg/cm21、为了降低电极铂担量，后来人们用碳载铂代替纯铂，电极铂担量降到0.4mg/cm2，电极铂利用率仅为10%美国LoaAlamos国家重点的电池评价装置上，一侧通入经过室温增湿的氢气，作为参比电极和对电极，因为H2>t电极的极化很小，所以同时可以作为参比电极；另一侧通入经过室温增湿的氩气，作为工作电极。在室温下测量电极的循环伏安曲线。电极面积为5cm2，扫描速率为50mV/s2结果与讨论2.1透射电镜分析由可以看出，Pt在碳表面分布均，其平均颗粒粒径大约为2.4nm，与美国E-TEK公司生产20%Pt/C电催化剂铂颗粒粒径（平均为2.5nm）接近。

　　2.2扫描电镜分析是自制电极的扫描电镜图。（a）是电极催化表面的扫描电镜图。从图中可以看出碳载铂催化剂在电极表面分布比较均匀，但碳颗粒存在聚团现象。（b）是自制电极催化层与膜截面的扫描电镜图。图中发亮的部分，是由|于金属铂的存在造成的，为电极的催化层。从图中可看出催化层与膜的结合比较紧密，催化层厚度在5m左右。

　　膜三合一截面的扫描电镜图。从（a）中可以看出膜热压后的厚度大约为80Pm左右。从（b）中可以看出催化层与扩散层可以区分出来，作为扩散层的碳纸的纤维不均匀，热压后的厚度大约为300Pm左右。

　　（b）催化层与膜截面的扫描电镜图自制电极的扫描电镜图B催化层C――扩散层膜电极三合一截面的扫描电镜。3循环伏安分析是电极的循环伏安图。利用铂的氢原子吸附峰计算电极的电化学比表面积（S）换算系数按照210PC/cm2计算。电极铂晶粒的比表面积（S2）按照以下公式计算：其中P为铂的密度（21.4g/cm3），d为铂颗粒的平均粒径。

　　电极Pt催化剂的利用率为S1/S2，经计算自制电极的电源技术邵志刚等：超低铂担量质子交换膜燃料电池电极Pt催化剂的利用率为30%远大于美国E-TEK公司电极的铂催化剂利用率（10%~20%）2，说明自制电极的铂催化剂利用率比较高。

　　解质膜厚度，可以减少质子传导距离，提高电解质膜的导电性。使用心！！打112膜（厚50/）代替心1：115膜（厚100Pm）可以显着提高电池性能。如所示在氢氧气工作压力为03/0.5MPa80，当电池电压为0.V时，输出电流密度可达到750mA/cm2，此时，电池输出功率为0.525W/cm2，显着大于Nafion115能。当使用Nafion112膜电流密度达到1000mA/cm2B寸，低铂担量电极的循环伏安扫描图（0.自制低铂电极与E-TEK电极性能比较膜组装成单电池的性能图PEMFC电极由扩散层和催化层两部分构成。扩散层由碳纸（或碳布）和防水剂聚四氟乙烯（PTFE）组成起支撑、气体分布及集流作用。催化层有两种制法：一种由电催化齐吖碳载铂）、PTFE和质子导体即全氟磺酸离子交换树脂（Nafion溶液）组成另一种由电催化剂（碳载铂）和Nafion溶液组成。第二种方法由于采用Nafion溶液作为粘接剂，催化层与膜结合the更紧密，质子导电性更好，可以减少催化剂的使用量。我们采用这种方法制成电极铂担量可以降到给出了自制电极与美国E-TEK公司电极性能之比较，其铂担量分别为0.08，实验条件为Nafion115膜氢氧气工作压力都为03MPa，氢氧气增湿温度为90C.由图可以看出电池输出电压为0.表示自制电极与E-TEK公司电极铂催化剂比活性比较。从图中可以看出自制电极的催化剂活性远远大于E-TEK自制电极与E-TEK公司电极催化剂比活性比较电压为0.7v日寸自制电极每毫克铂可产生8A的电流，而E-TEK公司电极只能产生1.5A的电流。

　　化层电极结构制作的PEMFC电极，铂担量为良好的电池性能。

　　Pm，催化剂利用率为（4）自制电极的催化剂活性远远大于E-TEK公司电极，如采用自制电极与Nafion112膜组装电池，单电池工作电压为0.7V时，每毫克铂可产生8A的电流。

　　在电流密度小于100mA/cm2时，两种电极性能接近，说明两种电极催化活性相同；当电流密度大于100mA/cm2日寸自制电极性能略低于E-TEK电极，说明自制电极的气体扩散性能差，气体传质阻力大，需进一步改进。

　　提高电解质膜导电性，可以显着提高电池性能。降低电