氢燃料电池的膜电极的制作技术分析

史成荫

（武汉市第三中学，湖北 武汉 430050）

1 前言

当前，世界正处于大发展、大变革、大调整时期，我国经济处于转型升级的关键时期。在社会发展过程中，主要面临两大难题，即能源问题[1]，非再生能源的枯竭；环境逐渐恶化，生态平衡被破坏[3]。如何有效解决这两大难题，是当前政府改善生态环境，使经济具有可持续发展力的重要课题之一。当然，解决问题的方法有很多种，到底哪种方法更有效、更直接呢？研究表明，燃料电池是解决这些问题的有效途径之一。由于燃料电池的开发成本高，技术难度大，所以，还没有被广泛应用和推广。而在这些技术问题中，制约燃料电池发展的关键是膜电极制作技术。

基于此，本文提出了一种膜电极的制作方法[2-4]，它直接、有效地解决了我国燃料电池发展过程中遇到的技术难题。

2 燃料电池的基本工作机理

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料（比如氢气、天然气等）和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，它是继水力发电、火力发电、化学发电之后的第四种发电方式。

由于燃料电池具有能源易获取和清洁环保的特点，从发明至今已经经历了100多年的历程，早在20世纪60年代，燃料电池就被成功应用于航天技术中。这种轻质、高效的动力源一直是美国航天界的首选，以燃料电池为动力的Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。燃料电池作为潜艇AIP（Air-Independent Propulsion，AIP）动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水，至今已有10艘。

燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池[2-3]（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（Molten CarbonateFuel Cell，MCFC）等。其中，质子交换膜燃料电池主要包括膜电极组件（Membrane ElectrodeAssembly，MEA）、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，它是由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成的，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应和氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。在额定工作条件下，1节单电池工作电压在0.7 V左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。

燃料电池其实是一种电化学装置[4]，膜电极是燃料电池氧化反应和氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，是燃料电池的核心部件。燃料电池主要可分为2部分，一部分为阳极（Anode），反应关系式为H2＝2H+＋2e－，让氢气在阳极失去电子形成质子，并在阴极与氧气发生反应生成水；另一部分为阴极（Cathode），反应关系式为2H+＋1/2O2＋2e－＝H2O。在此过程中，通过电子的移动形成电流，总的反应式为H2＋1/2O2＝H2O。燃料电池工作机理如图1所示。

图1 燃料电池工作机理

3 膜电极制作与测试

膜电极是燃料电池的核心部分，一般由3部分组成，即阳极、阴极和质子交换膜。阳极和阴极主要由纳米铂颗粒负载在高比表面碳粉（即Pt/C催化剂）上构成，它们分别是氢气发生氧化和氧气（纯氧或者来源于空气中的氧）发生还原的反应场所。膜电极组件即MEA，Membrane Electrode Assemblies。MEA是燃料电池的质子交换膜（PEMs）、催化剂和电极的组合。质子交换膜是夹在两电极之间的，催化剂嵌在电极之间。电极相对质子交换膜是绝缘的，而这2个电极分为阳极和阴极。在制作燃料电池的膜电极（MEA）时，先要配制催化剂，然后采用雾化法制备。整个过程是，将已经配好的催化剂溶液用喷膜机均匀雾化喷涂在已处理好的质子交换膜两侧，碳纸贴在膜两侧，构成三合一膜电极部件。膜电极结构如图2所示。

图2 膜电极结构示意图

3.1 膜电极制作材料配制（该配方属于秘方）

膜电极制作材料包括：称量Pt/C催化剂若干克，量取水20 mL，称量黏结剂Nafion若干克，量取异丙醇20 mL，然后将它们依次倒入烧杯中，用超声波清洗5 min。

3.2 膜电极制作过程

制作膜电极时，用到的材料有Pt/C、黏结剂Nafion、异丙醇和水，具体步骤是：①将15～30 mL催化剂溶液在线速度为40 m/s的高速分散机中水循环中冷却5 min，重复3次。②混合搅拌步骤①所得溶液，持续15 min。③用喷膜机抽空气，使放在其中的质子交换膜展平，如图3所示。④将步骤②所得溶液充入机器与CO2混合，使溶液雾化。之后在喷口超声震荡，将雾化后的溶液喷在质子交换膜上。⑤将质子交换膜两面喷上雾化溶液，其中，阳极面喷10 mL，阴极面喷20 mL。⑥将碳纸贴在膜两侧。⑦用胶布封装，制作完成，如图2所示。

3.3 燃料电池组装

组装燃料电池时，按照上述步骤完成膜电极，然后把双极板固定上，即构成了完整的燃料电池单体。之后按照流量计量比例通入氢气和空气进行单体燃料电池的性能测试工作，如图4所示。

3.4 性能测试

测试条件参数设置：流量计量比即阳极通入气体（氢气）∶阴极通入气体（空气）＝1.7∶3，压力为120 kPa，相对湿度为80%（A阳极）/80%（C阴极），电池温度为80℃，增湿罐为65℃，进气入口70℃。

在以上条件下改变电流，如图5所示，采用G20燃料电池测试平台，如图6所示，共进行14次测试试验，记录相应的电流对应的电压值，具体数值如表1所示。

图3 喷膜机

图4 双极板与完成制作的膜电极

图5 膜电极的极化曲线

图6 G20燃料电池测试平台

表1 电流和电压值

根据表1中的数据，用Excel做出变化曲线，如图5所示，开路时，电池电压为0.920 V，在60A电流下，电压为0.296 V。

4 测试验证

本文研究了催化剂的配方，并采用雾化法制备膜电极，组成了三合一膜电极部件，并组装了燃料电池单体。同时，采用G20燃料电池测试平台共进行14次测试试验，测试了相应的电流对应的电压值。测试数据表明，开路时，电池电压为0.920 V，在60 A电流下，电压为0.296 V，这是良好的燃料电池产生的电流和电压。

根据文中所述内容组装的燃料电池，将其装配到可再生能源循环系统装置中，可利用电解水产生的氢气和氧气发电，发出的电带动负载风扇转动，如图7、图8所示。测试结果说明，整个制作过程合理、科学。

图7 燃料电池发电

图8 负载风扇转动

5 结论

在国家燃料电池汽车动力系统工程技术研究中心、中国燃料电池汽车技术创新战略联盟、同济大学新能源汽车工程中心，通过对《可逆氢燃料电池制氢、发电循环系统制作》研究，研究出催化剂的配方，采用雾化法制备膜电极，采用G20燃料电池测试平台对膜电极进行测试试验，测试相应的电流对应的电压值。测试数据表明，整个配方和雾化法合理、科学。

［1］刘朝全，姜学峰，李建青，等.2016年度《国内外油气行业发展报告》［R］.北京：石油工业出版社，2016.

［2］丁靖，曹涛锋，林鸿，等.质子交换膜燃料电池性能优化实验研究［J］.工程热物理学报，2014，35（9）：1826-1830.

［3］刘洁，王菊香，邢志娜，等.燃料电池研究进展及发展探析［J］.节能技术，2010，28（4）：364-368.

［4］中国电池网.燃料电池及其关键材料发展趋势［EB/OL］.［2013-12-15］.http://news.battery.com.cn/1/detail_645.html.