氫燃料電池的膜電極的制作技術(shù)分析

史成蔭

（武漢市第三中學(xué)，湖北 武漢 430050）

1 前言

當(dāng)前，世界正處于大發(fā)展、大變革、大調(diào)整時(shí)期，我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，主要面臨兩大難題，即能源問(wèn)題[1]，非再生能源的枯竭；環(huán)境逐漸惡化，生態(tài)平衡被破壞[3]。如何有效解決這兩大難題，是當(dāng)前政府改善生態(tài)環(huán)境，使經(jīng)濟(jì)具有可持續(xù)發(fā)展力的重要課題之一。當(dāng)然，解決問(wèn)題的方法有很多種，到底哪種方法更有效、更直接呢？研究表明，燃料電池是解決這些問(wèn)題的有效途徑之一。由于燃料電池的開(kāi)發(fā)成本高，技術(shù)難度大，所以，還沒(méi)有被廣泛應(yīng)用和推廣。而在這些技術(shù)問(wèn)題中，制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵是膜電極制作技術(shù)。

基于此，本文提出了一種膜電極的制作方法[2-4]，它直接、有效地解決了我國(guó)燃料電池發(fā)展過(guò)程中遇到的技術(shù)難題。

2 燃料電池的基本工作機(jī)理

燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料（比如氫氣、天然氣等）和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置，它是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、化學(xué)發(fā)電之后的第四種發(fā)電方式。

由于燃料電池具有能源易獲取和清潔環(huán)保的特點(diǎn)，從發(fā)明至今已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的歷程，早在20世紀(jì)60年代，燃料電池就被成功應(yīng)用于航天技術(shù)中。這種輕質(zhì)、高效的動(dòng)力源一直是美國(guó)航天界的首選，以燃料電池為動(dòng)力的Apollo宇宙飛船采用了堿性電解質(zhì)燃料電池，從此開(kāi)啟了燃料電池航天應(yīng)用的新紀(jì)元。燃料電池作為潛艇AIP（Air-Independent Propulsion，AIP）動(dòng)力源，從2002年第一艘燃料電池AIP潛艇下水，至今已有10艘。

燃料電池一般包括質(zhì)子交換膜燃料電池[2-3]（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（Molten CarbonateFuel Cell，MCFC）等。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池主要包括膜電極組件（Membrane ElectrodeAssembly，MEA）、雙極板及密封元件等。膜電極組件是電化學(xué)反應(yīng)的核心部件，它是由陰陽(yáng)極多孔氣體擴(kuò)散電極和電解質(zhì)隔膜組成的，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)，電子通過(guò)外電路作功，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在額定工作條件下，1節(jié)單電池工作電壓在0.7 V左右。為了滿足一定應(yīng)用背景的功率需求，燃料電池通常由數(shù)百個(gè)單電池串聯(lián)形成燃料電池堆或模塊。

燃料電池其實(shí)是一種電化學(xué)裝置[4]，膜電極是燃料電池氧化反應(yīng)和氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，是燃料電池的核心部件。燃料電池主要可分為2部分，一部分為陽(yáng)極（Anode），反應(yīng)關(guān)系式為H2＝2H+＋2e－，讓氫氣在陽(yáng)極失去電子形成質(zhì)子，并在陰極與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水；另一部分為陰極（Cathode），反應(yīng)關(guān)系式為2H+＋1/2O2＋2e－＝H2O。在此過(guò)程中，通過(guò)電子的移動(dòng)形成電流，總的反應(yīng)式為H2＋1/2O2＝H2O。燃料電池工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 燃料電池工作機(jī)理

3 膜電極制作與測(cè)試

膜電極是燃料電池的核心部分，一般由3部分組成，即陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜。陽(yáng)極和陰極主要由納米鉑顆粒負(fù)載在高比表面碳粉（即Pt/C催化劑）上構(gòu)成，它們分別是氫氣發(fā)生氧化和氧氣（純氧或者來(lái)源于空氣中的氧）發(fā)生還原的反應(yīng)場(chǎng)所。膜電極組件即MEA，Membrane Electrode Assemblies。MEA是燃料電池的質(zhì)子交換膜（PEMs）、催化劑和電極的組合。質(zhì)子交換膜是夾在兩電極之間的，催化劑嵌在電極之間。電極相對(duì)質(zhì)子交換膜是絕緣的，而這2個(gè)電極分為陽(yáng)極和陰極。在制作燃料電池的膜電極（MEA）時(shí)，先要配制催化劑，然后采用霧化法制備。整個(gè)過(guò)程是，將已經(jīng)配好的催化劑溶液用噴膜機(jī)均勻霧化噴涂在已處理好的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，碳紙貼在膜兩側(cè)，構(gòu)成三合一膜電極部件。膜電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 膜電極結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 膜電極制作材料配制（該配方屬于秘方）

膜電極制作材料包括：稱(chēng)量Pt/C催化劑若干克，量取水20 mL，稱(chēng)量黏結(jié)劑Nafion若干克，量取異丙醇20 mL，然后將它們依次倒入燒杯中，用超聲波清洗5 min。

3.2 膜電極制作過(guò)程

制作膜電極時(shí)，用到的材料有Pt/C、黏結(jié)劑Nafion、異丙醇和水，具體步驟是：①將15～30 mL催化劑溶液在線速度為40 m/s的高速分散機(jī)中水循環(huán)中冷卻5 min，重復(fù)3次。②混合攪拌步驟①所得溶液，持續(xù)15 min。③用噴膜機(jī)抽空氣，使放在其中的質(zhì)子交換膜展平，如圖3所示。④將步驟②所得溶液充入機(jī)器與CO2混合，使溶液霧化。之后在噴口超聲震蕩，將霧化后的溶液噴在質(zhì)子交換膜上。⑤將質(zhì)子交換膜兩面噴上霧化溶液，其中，陽(yáng)極面噴10 mL，陰極面噴20 mL。⑥將碳紙貼在膜兩側(cè)。⑦用膠布封裝，制作完成，如圖2所示。

3.3 燃料電池組裝

組裝燃料電池時(shí)，按照上述步驟完成膜電極，然后把雙極板固定上，即構(gòu)成了完整的燃料電池單體。之后按照流量計(jì)量比例通入氫氣和空氣進(jìn)行單體燃料電池的性能測(cè)試工作，如圖4所示。

3.4 性能測(cè)試

測(cè)試條件參數(shù)設(shè)置：流量計(jì)量比即陽(yáng)極通入氣體（氫氣）∶陰極通入氣體（空氣）＝1.7∶3，壓力為120 kPa，相對(duì)濕度為80%（A陽(yáng)極）/80%（C陰極），電池溫度為80℃，增濕罐為65℃，進(jìn)氣入口70℃。

在以上條件下改變電流，如圖5所示，采用G20燃料電池測(cè)試平臺(tái)，如圖6所示，共進(jìn)行14次測(cè)試試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的電流對(duì)應(yīng)的電壓值，具體數(shù)值如表1所示。

圖3 噴膜機(jī)

圖4 雙極板與完成制作的膜電極

圖5 膜電極的極化曲線

圖6 G20燃料電池測(cè)試平臺(tái)

表1 電流和電壓值

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，用Excel做出變化曲線，如圖5所示，開(kāi)路時(shí)，電池電壓為0.920 V，在60A電流下，電壓為0.296 V。

4 測(cè)試驗(yàn)證

本文研究了催化劑的配方，并采用霧化法制備膜電極，組成了三合一膜電極部件，并組裝了燃料電池單體。同時(shí)，采用G20燃料電池測(cè)試平臺(tái)共進(jìn)行14次測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試了相應(yīng)的電流對(duì)應(yīng)的電壓值。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，開(kāi)路時(shí)，電池電壓為0.920 V，在60 A電流下，電壓為0.296 V，這是良好的燃料電池產(chǎn)生的電流和電壓。

根據(jù)文中所述內(nèi)容組裝的燃料電池，將其裝配到可再生能源循環(huán)系統(tǒng)裝置中，可利用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣發(fā)電，發(fā)出的電帶動(dòng)負(fù)載風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7、圖8所示。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，整個(gè)制作過(guò)程合理、科學(xué)。

圖7 燃料電池發(fā)電

圖8 負(fù)載風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)

5 結(jié)論

在國(guó)家燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、中國(guó)燃料電池汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，通過(guò)對(duì)《可逆氫燃料電池制氫、發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)制作》研究，研究出催化劑的配方，采用霧化法制備膜電極，采用G20燃料電池測(cè)試平臺(tái)對(duì)膜電極進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試相應(yīng)的電流對(duì)應(yīng)的電壓值。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，整個(gè)配方和霧化法合理、科學(xué)。

［1］劉朝全，姜學(xué)峰，李建青，等.2016年度《國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》［R］.北京：石油工業(yè)出版社，2016.

［2］丁靖，曹濤鋒，林鴻，等.質(zhì)子交換膜燃料電池性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，35（9）：1826-1830.

［3］劉潔，王菊香，邢志娜，等.燃料電池研究進(jìn)展及發(fā)展探析［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28（4）：364-368.

［4］中國(guó)電池網(wǎng).燃料電池及其關(guān)鍵材料發(fā)展趨勢(shì)［EB/OL］.［2013-12-15］.http://news.battery.com.cn/1/detail_645.html.