燃料电池催化剂树脂覆盖度测试方法（持续更新中）

燃料电池中催化剂的树脂覆盖程度（质子可及率）会与膜电极的性能直接相关，因此通过合适的方法来调控树脂覆盖度，会大幅度提高性能。日本丰田公司已发表多篇专利用来探究树脂覆盖度的测试方法，并建立其与膜电极性能的关系。本文将从如下方面介绍燃料电池催化剂树脂覆盖度测试方法以及调控方法

トヨタ自動車株式会社（丰田公司）针对树脂覆盖度的研究专利如下

トヨタ自動車株式会社アーオノマ被覆率研究開発の歴史

（丰田公司关于树脂覆盖度研究的发展历史）

発明の名称	出願日	下载	简介
1、触媒利用率の測定方法      催化剂利用率的测定方法	2010.02.18		通过水和含氟溶剂来判断这两种情况下的ECSA
2、燃料電池用電極およびその製造方法      燃料电池电极及其制备方法	2013.05.16		通过高低湿手段测试ECSA
3、電極触媒評価装置及び電極触媒評価方法      电极催化剂评价装置及其评价方法	2016.03.03		介绍了树脂覆盖度的评价装置。这个很重要
4、膜電極接合体の製造方法      膜电极的制备方法	2016.04.06		通过调控水醇来改变树脂覆盖度
5、燃料電池用電極の製造方法      燃料电池电极制备方法	2017.12.11		高透氧树脂配合传统树脂结合树脂覆盖度关联性能

1、树脂覆盖程度（质子可及率）及其影响因素

一般来说更考虑阴极的树脂覆盖度，因为阴极的过电位更高。树脂覆盖度可粗糙理解为树脂在催化剂表面的包裹程度，在PEM燃料电池运作过程中，阳极HOR反应生成的H+通过离聚物及水传递跨膜运输与阴极催化O2生成的O*，OOH*，OH*中间体接触反应最终生成水，其中离聚物在催化层表面会覆盖Pt颗粒以及碳载体，在低湿操作下，较低的树脂覆盖会降低反应Pt颗粒的数量，不能充分H+传递能力，进而降低电池效率。通常而言树脂覆盖厚度为1nm到20nm（要是说能到100nm也不反对）之间。

影响因素1：浆料配置

受到浆料体系的影响，如水醇比及不同种类的醇。由于树脂表面的含氟主链以及磺酸根侧链的亲水性不同，不同的水醇体系会因此影响到树脂的卷曲伸展程度，进而影响了浆料体系中树脂在催化剂表面的覆盖状态，一般而言高醇体系浆料有助于提高树脂覆盖^[1]。

参考文献:

[1] Analysis of the Microstructure Formation Process and Its Influence on the Performance of Polymer Electrolyte Fuel-Cell Catalyst Layers doi.org/10.1002/celc.201500131

影响因素2：树脂含量及种类

即I/C比的高低会影响，不同EW值也会影响^[2]

参考文献:

[2] Ionomer network of catalyst layers for proton exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, Volume 506, 2021, 230186. doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230186

影响因素3：催化剂表面官能团种类及数量

含O官能团会影响亲水疏水性^[3]，含N官能团会影响其电子与树脂作用^[4]，或者其他含S官能团也一样，同样会影响树脂覆盖度

参考文献:

[4] Interfacial Distribution of Nafion Ionomer Thin Films on Nitrogen-Modified Carbon Surfaces ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 48, 53744–53754 doi/10.1021/acsami.2c14574

影响因素4：催化剂的孔含量、孔尺寸、孔内Pt数量，Pt在孔内的深度

树脂一般难以进入10nm以下的孔，越小越难，对于负载的较深介孔孔内的Pt而言，H+通过树脂传递到Pt位点就很难了，只能通过质子扩散（半径很小）或加湿的水来传递质子了。

影响因素5：催化剂的一次颗粒尺寸（浆料经过处理后的激光粒度分布）

浆料的粒度分布对树脂覆盖也有重要影响，但其和碳的种类有关，如Vulcan XC-72，クノーベル®Cnovel，EC300，EC600，或基于此所制备的载体，其粒度分布中D50均略有不同，过大过小均不可取，基本D50~1um。

影响因素6：添加剂

如离子液体，其他小分子集团，不同种类CNT等

2、如何测量树脂覆盖度

1、高低湿ECSA，高低湿CO氧化，高低湿双电层电容

3、如何调控树脂覆盖度

4、树脂覆盖度和MEA性能的关联

5、介孔碳树脂覆盖度与实心碳树脂覆盖度差异

6、树脂覆盖度的一些表征方法

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