电动汽车质子膜燃料电池的制备及导电性能研究

孙 赟

质子膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）现已被广泛用于电动汽车中［1］，能够为汽车提供稳定的驱动力，且产生的物质有害性较低，在设计时需要考虑电压、工作温度、内阻等因素.

魏胜君［2］制备了交联型降冰片烯共聚物薄膜，并对其质子传导率和甲醇透过率进行了分析.汪殿龙等［3］通过差分进化算法对质子膜燃料电池的活化性能进行了分析.张恒等［4］在机械应力下，分析了压缩对质子膜燃料电池性能的影响.在燃料电池工作过程中，为提高质子的传递速率，对其内部的气体实施加湿处理.电池内部的燃料与气体分别向阴、阳两极移动，通过阴阳两极的反应最终生成水蒸气，得到的水蒸气产物通过水管理系统排出.上述过程会降低质子膜燃料电池的导电性，导致电动汽车运行不稳定.为了提高电动汽车质子膜燃料电池的导电性能，本研究对电动汽车质子膜燃料电池展开优化制备，并对制备出的质子膜燃料电池的导电性能进行具体研究.

1 材料与制备

在本研究的制备过程中，首先对质子交换膜进行制备，并按照组成顺序制备好所有的组成元素.最终将所有的电池元件按照固定结构安装并连接在一起，得到电动汽车质子膜燃料电池的制备结果.

1.1 试剂及原料

在电动汽车质子膜燃料电池的制备过程中，首先，准备各个组件所需的原料，包括聚四氟乙烯［5］、过氧化氢溶液等.为保证准备的原料纯度在99.5%以上，并且不影响原料的化学性质，选择物理方法对得到的双金属原料进行除杂处理，剔除原料中的杂质，并将除杂完成的原料放置在真空环境中进行保存，防止在实验环境引入新的杂质.另外，还需要准备电极原料、催化原料、质子交换膜原料等，原料的具体准备情况如表1 所示.

表1 质子膜燃料电池制备的部分原料表

1.2 制备方法

质子膜燃料电池的主要制备方法为组合制备方法，即将组成电池的每一个部件分别进行制备或准备，最终将其组合到一起的方法.该方法通过逐步组装的方式，可以更加精确地控制整个质子膜燃料电池的每个膜组件，以确保膜的质量和性能的一致性，提高整个电池的效率和可靠性.采用该方式进行制备简单和灵活，极大地节约了人力资源和时间.

综上，质子膜燃料电池［6］的组合制备过程为：①合成质子交换膜单体；②制备交换膜聚合物及其薄膜；③从气体扩散层、电极催化层和双极板三个方面进行膜电极三合一复合制备；④将所制备的各部分组装起来，形成质子膜燃料电池.

1.3 制备工艺流程

以质子膜燃料电池的制备方法作为此次制备的理论支持，按照电池制备的先后顺序，规划出电池的制备工艺流程，如图1 所示.

图1 制备流程图

1.3.1 质子交换膜单体合成

将40 mL 的9-芴酮、200 mL 的疏基丙酸和二甲氧基苯酚原料注入到烧杯中，接着向烧杯中加入甲苯溶液，作为溶解溶剂.在常温环境下，搅拌10 min.向搅拌均匀的溶液中，注入2 mL 的浓硫酸，同时注入0.25 L 的蒸馏水用来终止反应.反应完成后，让溶液通过20 mm的过滤网，然后收集留存在过滤器上的固体物质［7］.利用高浓度乙醇水溶液对上述收集到的固体物质实施重结晶处理，得到3，5-二甲氧基-4-羟苯基单体的合成结果.该合成单体呈白色晶体状形态.在该单体合成的过程中需要保证得到的晶体质量在12 g 以上，且产量在60%以上.

此外，1，3，5-三［4-（4-氟苯磺酰基）苯基］中的苯也是质子交换膜制备过程中非常重要的组成结构.按照制备合成路线，在氮气营造的干燥环境下，将5 mL 的1，3，5-三苯基苯和35 mL 的4-氟苯磺酰氯同时倒入烧杯中，在100 ℃的环境中对其加热1 h.在加热过程中，依次向烧杯中加入0.4 g 的无水三氯化铁和5 mL 的硝基苯溶液.然后将其冷却至室温，再倒入酸化的羟基甲烷溶液.待上述反应完成后，对溶液进行过滤处理，得到黑色固态物质，然后利用冰乙酸溶液对其进行溶解，在110 ℃下进行3 h 的脱色处理，去除离子水中的沉淀，最终得到白色固体状的单体合成结果.保证最终得到的合成单体质量3 g，产率保证在70%以上.

单体合成后统一进行酸基络合预处理.在含有醚、醇、苯的合成单体中引入强酸［8-9］，向单体中混入亲水性的无机分子，增加单体水分约束力，提高质子的传导速率.

1.3.2 交换膜聚合物及其薄膜的制备

以合成的质子交换膜单体作为聚合物原料，分别合成制备甲氧基取代的支化聚芳醚砜MPAES，羟基化的支化聚芳醚砜HPAES 和磺化的支化聚芳醚砜SPAES 等聚合物.MPAES聚合物的制备主要是通过不同单体化合物的投料比例来改变聚合物的支化度.在干燥环境下，加入投料比为4 的3，5-二甲氧基-4-羟苯基单体和投料比为13 的1，3，5-三［4-（4-氟苯磺酰基）苯基］苯单体合成的甲氧基取代的支化聚芳醚砜.

在这一过程中，将所得的单体在DCM（Dichloromethane）溶液中溶解，并逐渐滴加体积分数为10%的溴化硼溶液，共滴加30 mL，连续反应6 h，直到容器中出现红褐色固体物质.析出的物质呈现纤维状，对其进行过滤和干燥，可得到合成聚合结果.

同理，按照相同的制备合成方法得到SPAES聚合结果.分别将MPAES、HPAES 和SPAES 聚合物溶解于DMSO 中，将溶液铺洒于平整的玻璃板上.随着DMSO 逐渐挥发，玻璃板上形成聚合物薄膜，待干燥处理后将其剥离.

1.3.3 膜电极三合一复合制备

分别将制备完成的质子交换膜、阴电极、阳电极材料和各个电极层连接在一起，实现膜电极的复合制备，针对膜电极中的各个部分进行具体制备.

气体扩散层制备.采用厚度为100～300 µm之间的石墨化碳纸或碳布作为气体扩散层的材料.将碳纸浸入到全氟乙烯溶液中［10-11］，再将其放置在高温的烘箱内，使全氟乙烯热熔融.在此基础上，还需要进行整平处理.将水溶液作为溶剂，按照等比例调配无定形碳和全氟乙烯，将配液搅拌振荡均匀，将混合物转移到碳纸上.

电极催化层制备.质子膜燃料电池的电极催化剂分为阴、阳两极.质子膜燃料电池属于低温工作性质的燃料电池，因此选用铂作为电催化剂［12］.而电池中的反应气体在铂金属上能发生均匀的解离吸附反应，反应过程为：

在此基础上，受到催化剂的作用，吸附氢将发生如下电化学氧化反应［13］：

双极板制备.双极板主要是由石墨板、树脂、导电胶等材料混合而成，还可在其中通过加入细金属网来提升电池的导电性. 使用US4782586 制备一个完整的石墨片，同时要保证其密封边缘的部分呈小孔分布［14］.然后利用浸酚醛树脂完成密封处理.最终得到的双极板结构如图2 所示.

图2 电池双极板构成

1.3.4 电解质材料制备

质子膜燃料电池采用固体聚合物作为电解质，其反应式为：

本研究对进入电池组的气体实施加湿处理，利用溶胶-凝胶法［15］合成，在水蒸气环境中通过水热处理制备而成.在室温条件下，按照下述摩尔比进行混合调配：

调配后再剧烈搅拌30 min，可获得无色且透明的溶胶溶液.

1.3.5 组装高压质子膜燃料电池

组装在上述过程中制备好的各部件，形成单体电池.图3 为质子膜燃料电池组装结果示意图.

图3 质子膜燃料电池组装结果示意图

在组装过程中，为确保电极端催化剂的精确性，每次需制备100 cm2的催化层，从中选取10 cm2来支撑有效面积为2 cm2的小电池.

2 实验方法

2.1 实验环境与运行参数

在质子膜燃料电池的导电性能测试过程中，首先需要模拟电池的实际运行环境.其中，设定温度为25 ℃、压力为0.15 MPa、湿度为60%.在测试过程中，使用PDM-803V 电压表测量和记录电压评估其导电性能和能量转换效率.

2.2 导电性能检测仪器

在电池导电性能实验中，检测电池的导电性能需要用到一系列的检测设备包括IEC61010-1 CAT.III 300V 电流表、PDM-803V电压表和MS-P-NMP 手持式NMP 数显浓度仪.

2.3 导电性测试方法

根据上述设定与仪器，按照下述步骤进行导电性测试.

步骤1：准备好利用组合制备方法制备得到的质子膜燃料电池.

步骤2：将电池放入2.1布设的实验环境中.

步骤3：使用电线将电池接入到IEC61010-1 CAT.III 300V 电流表和PDM-803V 电压表中，进行电流和电压的测量.

步骤4：在不同时间点记录电池的输出电流、电压、质子浓度等数据.

步骤5：根据步骤4 测量数据，计算电池的一般导电性和电池能够输出的最大开路电压.

溶液中质子的浓度随着时间发生变化，按照浓度的变化情况，可以得出质子交换膜的质子透过率.在计算质子交换膜透过率的前提下，计算电池的一般导电性：

式中：R为电池的电阻，L为电极间的长度，S为质子透过率，A为电流表中读出的电流值.通过公式（2）可以计算出电池能够输出的最大开路电压值，

式中：E0为理论电压，IRi为欧姆极化损失流，I的值通过电流表读出，ηa和ηc分别表示的是活化极化损失和浓差极化损失.

3 实验结果分析

通过实验记录相关数据，两种制备方法得到电池的电阻分别为5 Ω 和3 Ω，L的取值分别为2.0 mm 和2.5 mm，质子透过率的计算结果分别为62%和85%，电流表中的电流值随着使用时间的变化而变化，因此在计算中需要将每一时刻记录的电流值代入到式（1）中，并取统计数据的平均值.同理将相关数据代入到式（2）中，得出电池输出最大电压的计算结果.实验结果如表2 所示.

表2 试验结果

通过统计与计算得出关于电池导电性能的实验结果：使用设计制备方法得出的质子膜燃料电池的导电率为96.7%，且能够输出的最大开路电压值为2.2 V.

4 结语

为了优化质子膜燃料电池导电性能，保证电动汽车运行稳定性，本研究对制备方法展开优化设计.实验结果表明，本研究方法提高了电池的导电能力，可以提高电池的充放电效率和输出功率，进而提高电动汽车的性能和行驶里程.但在制备过程中，未针对电池的腐蚀性能进行优化设计与探究，因此，在未来的制备研究工作中，需要针对该问题进行进一步研究.