质子交换膜燃料电池性能及催化剂表征

　　质子交换膜燃料电池性能及催化剂表征陈羚1，程璇“，张颖1，彭程姜燕平范钦柏3（1.厦门大学材料科学与工程系，2.厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，福建厦门361005；3.美国气体技术研究院，美国伊利诺伊斯60018）运行过程中记录电池的工作曲线及性能曲线，了解电池的性能变化及运行状况。通过XRDTEM和SEM等手段对运行时间为200500700，1000和2000的三合一膜电极（MEA）中的阴、阳极催化剂分别进行了表征，获得催化剂晶态、表面形态及颗粒大小等变化信息，考察催化剂晶胞参数。颗粒大小等变化对电池寿命及性能的影响。

　　质子交换膜燃料电池是以质子交换膜为电解质，氢气和氧气（或空气）为燃料的发电装置。它相对于其他燃料电池，具有高效率、启动快、工作温度低、无污染等诸多优点。其应用于电动汽车、便携式发电装置等具有广阔前景。

　　近年来，各国科研工作者对其展开了各方面的研究。目前，阻碍其商业化进程的有诸多因素如质子交换膜价格、催化剂类型、催化剂载量、电池寿命等。

　　目前广泛应用于质子交换膜燃料电池中的催化剂，阴极为Pt/C，阳极催化剂P-Ru/C.影响电池寿命的因素有很多，如催化剂活性，质子交换膜的电导率，反应物的迁移速率等。其中催化剂的活性及寿命是影响电池性能和运行寿命的一个重要原因。众所周知，催化剂颗粒越小，其表面活性区域越大，催化剂活性越高，也可能是晶粒过小和晶格应变的原因。为获得平均粒度大小及晶胞参数，我们对Pt（220）峰进行慢扫（0.6°/min）其比较图见。选择果较为准确。经Lorentzian函数拟和Pt（220）峰半峰宽，用Scherrer公式计算获得的平均粒度大小。由Pt（220）衍射峰，还得到了平均晶胞参数大小。阴极Pt催化剂为面心立方结构，阳极P-Ru催化剂也为面心立方结构。

　　从表1平均粒度大小比较结果可知，催化剂颗粒大小随着运行时间的增长有增大趋势，从运行前（0h）至运行了700h，阴极催化剂由原来的4nm增大到12nm，阳极催化剂也由原来的2nm增大到4nm.运行1 000h的催化剂又出现了减小的趋势，但仍然比未运行过的催化剂颗粒大。从整体上看，经过电池运行了的催化剂相对未运行的催化剂均出现了颗粒增大的现象，其原因可能为，经长时间运行，催化剂颗粒发生了一定程度的团聚，使颗粒P（如峰勺原珠于AcM度较高且为单峰计算结仙也变大由于颗粒的增大，使催化剂表面的活性区域减表1不同运行时间催化剂平均颗粒大小及晶胞参数比较阴极阳极颗粒大小D/nm晶胞参数a/nm颗粒大小D/nm晶胞参数a/nm原始粉末0h（未运行）小，这是导致电池的性能衰减的一个重要因素。运行000h的催化剂并没有出现颗粒增长大于700h的现象，这说明颗粒大小与运行时间长短并不存在正比关系。

　　从表1平均晶胞参数比较的结果看，阳极催化剂的晶胞参数小于阴极催化剂，其原因在于阳极催化剂为P-Ru合金，而Ru的原子半径小于Pt原子，在面心立方结构中取代了Pt原子的位置，因此晶胞参数小于阴极Pt催化剂。晶胞参数大小与运行时间长短并未发现存在联系。

　　从TEM结果可以看出经过单电池运行后，催化剂出现了不同程度的团聚现象。Endh等曾报道了Pt催化剂经5000h的运行后从2nm增大至5nm.TEM的结果验证了XRD计算结果，即经运行后，催化剂确实出现了团聚增大现象。

　　为进一步直观了解催化剂表面形态及催化剂颗粒大小变化状况，我们对不同运行时间后的MEA进行SEM观测。为经过200h和2000h运行后的不同运行时间MEA的SEM比较000hMEA三层结构；（c）200h阳极催化剂；（d）2000h阳极催化剂；（e）200h阴极催化剂；（f）2000h阴极催化剂构中间为Nafion膜，上下两层分别为阴阳极催化剂层。从图中可看出经2000h运行后的MEA的三层结构比200七的松散，且2000七阴、阳极催化剂出现较多孔洞，并有一定程度的团聚。相比之下，200-h的MEA三层结构紧密，且催化剂颗粒均匀致密。SEM的结果从一定程度上证实了XRD的结论：由于催化剂的团聚，其颗粒大小随电池运行时间增长而增大。

　　3初步结论通过自行设计和组装质子交换膜燃料电池的供气、加温、加湿和自动记录系统，进行了单电池的寿命及性能测试，我们对质子交换膜燃料电池的性能有了一定的了解。结果表明，单电池在长期运行过程中基本能维持较稳定的性能，但在连续运行1800h后出现了一定程度的电压衰减，在运行超过700h后电池性能有所下降。通过XRD、TEM及SEM表征，获得了催化剂表面形态及颗粒大小等信息，了解了其对催化剂活性有一定的影响。随着运行时间的增长，催化剂由于团聚等原因，颗粒变大，催化剂表面活性区域减小，从而影响了电池的性能及寿命。