质子交换膜燃料电池气体扩散层憎水性衰减机理研究

质子交换膜燃料电池气体扩散层憎水性衰减机理研究

于书淳，李晓锦*，李进，邵志刚，衣宝廉

（中国科学院大连化学物理研究所，大连，辽宁，116023,Email:xjli@dicp.ac）作为质子交换膜燃料电池的重要组件之一，典型的双层气体扩散层由基底层和微孔层构成。其中，基底层通常由憎水处理过的碳纸构成，微孔层通常由碳粉和憎水剂构成。具有良好化学稳定性的聚四氟乙烯（PTFE）是气体扩散层中最常用的憎水剂。在燃料电池中，气体扩散层必须具有合适的憎水性能以实现良好的导气和排水功能[1]。然而，电池在长时间运行后，尤其是在较为苛刻的工作环境下（频繁的启动/停车、动态工况等），气体扩散层的憎水性会逐步变得下降[2]。陈等人采用恒电位氧化法对气体扩散层进行耐久性研究，发现氧化后微孔层表面的接触角显著下降[3]。Lee等人在研究气体扩散层耐久性的实验中也观察到同样的现象[4]。但是，文献中并没有对憎水性下降的原因进行深入的研究。

鉴于气体扩散层憎水性的下降会引起电极水淹并最终降低电池性能，有必要对憎水性下降的原因进行深入的研究，但是目前有关这方面的报道很少[5]。因此，我们的主要工作是在模拟的电池环境下考察气体扩散层憎水性下降的原因。实验分为恒电位氧化及酸浸泡两部分。恒电位氧化实验是以N2饱和的0.5M H2SO4为电解液，采用相对于饱和甘汞电极为1.25V的恒电位对气体扩散层进行氧化处理，酸浸泡实验是将气体扩散层浸泡在70℃、air饱和的1M H2SO4溶液中1200h.通过扫描电镜、红外光谱、X射线光电子显微镜、热重仪等手段对氧化前后的扩散层的特性进行分析。恒电位氧化实验结果发现，无论是对基底层还是整平层，氧化之后表面的形貌发生了改变；此外，碳的氧化不但导致亲水性氧化物的生成而且导致了碳材料及PTFE的流失。这也正是恒电位氧化条件下气体扩散层憎水性下降的原因。在酸浸泡实验条件下观察到同样的现象。

图1XPS全谱（a）氧化前整平层（b）氧化后整平层（c）氧化前基底层（d）氧化后基底层

Fig.1XPS survey spectra of(a)fresh MPL(b)oxidized MPL(c)fresh GDB(d)oxidized GDB

图2XPS C1s拟合峰（a）酸浸泡后的基底层（b）酸浸泡后的整平层

Fig.2XPS C1s peaks of(a)the immersed GDB(b)the immersed MPL 本研究为国家自然科学基金（21076210，20936008）资助项目。

参考文献：

[1]衣宝廉，燃料电池-原理·技术·应用[M].北京:化学工业出版社，2003:181

[2]Park S,Lee J-W,Popov BN,International Journal of Hydrogen Energy2012,37:5850

[3]Chen G,Zhang H,Ma H,Zhong H,International Journal of Hydrogen Energy2009,34:8185

[4]Lee C,Mérida W,Journal of Power Sources,2007,164:141

[5]Medici EF,Allen JS,Journal of the Electrochemical Society2010,157:B1505

Study on hydrophobicity degradation of gas diffusion layer in proton exchange

membrane fuel cells

Shuchun Yu,Xiaojin Li*,Jin Li,Zhigang Shao,Baolian Yi

(Fuel Cell System and Engineering Laboratory,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,457Zhongshan Road,Dalian116023,Email:xjli@)