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熱壓法在氫燃料電池膜電極MEA制備的應(yīng)用

閱讀:1982        發(fā)布時間:2022-12-9

膜電極(MEA)被稱為氫燃料電池的“心臟",,是多項物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的核心場所,。

膜電極,,主要由催化劑、質(zhì)子交換膜,、氣體擴(kuò)散層三部分組成,,在相應(yīng)溫度、壓力和時間下,,熱壓成為三合一組件,,其承擔(dān)了燃料電池全部電化學(xué)反應(yīng),以及電子,、質(zhì)子,、氣體和水的傳導(dǎo),高性能,、低鉑載量,、低成本、長壽命的膜電極對于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義,。

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  膜電極技術(shù)共經(jīng)歷了三代革新,,大體上可分為GDE熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類型:

  第一代熱壓法膜電極(GDE),,指將催化劑涂布在氣體擴(kuò)散層上,,后用熱壓法將氣體擴(kuò)散電極和質(zhì)子交換膜結(jié)合在一起,,該方法總體性能不高,目前已基本淘汰,;

  第二代CCM膜電極,,指采用卷對卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷,、噴涂等方法直接將催化劑,、磺酸樹脂和適當(dāng)分散劑組成的漿料涂布到質(zhì)子交換膜兩側(cè),該方法提高了催化劑的利用率與耐久性,,目前商業(yè)化程度最高,,已大批量生產(chǎn);

第三代有序化膜電極,,指把Pt催化劑制備到有序化的納米結(jié)構(gòu)上,,使電極呈有序化結(jié)構(gòu),獲得堅固,、完整的催化層,,該方法進(jìn)一步提高了燃料電池性能,降低催化劑鉑載量,,是目前膜電極制造研究的熱點(diǎn),,但仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段,只有小部分公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),,如3M,。

熱壓法是制備膜電極的重要方法和步驟,熱壓過程中溫度,,壓力和時間三個因素決定了MEA的性能,,其中溫度對MEA性能的影響,主要體現(xiàn)在催化層與質(zhì)子交換膜的質(zhì)子通道的建立情況,,只有當(dāng)熱壓溫度超過質(zhì)子交換膜的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度,,催化層與質(zhì)子交換膜才能牢固結(jié)合,從而達(dá)到降低接觸電阻的目的,,熱壓溫度高于質(zhì)子交換膜的玻璃化溫度,,催化層和質(zhì)子交換膜都達(dá)到軟化點(diǎn)以上,粘結(jié)良好,,有利于建立質(zhì)子通道,,降低阻抗,但熱壓溫度超過一定范圍,,質(zhì)子交換膜里的活性基團(tuán)受到破壞,,反而不利于質(zhì)子在膜中的傳導(dǎo)。

熱壓壓強(qiáng)對MEA的性能影響體現(xiàn)在兩個方面,,一方面,,增加熱壓壓強(qiáng)有利于MEA各層的接觸,,降低電阻,改善性能,,另一方面MEA的催化層是個多孔電極結(jié)構(gòu),,層內(nèi)的反應(yīng)是固液氣三相界面的反應(yīng),催化層必須有一定數(shù)量的孔,,便于反應(yīng)中氣水的傳導(dǎo),,壓強(qiáng)過大會破壞這種結(jié)構(gòu),降低MEA的性能,,氣體擴(kuò)散層是碳纖維組成的,熱壓壓強(qiáng)超過一定值會導(dǎo)致大量纖維斷裂,,影響質(zhì)子傳導(dǎo),,造成MEA內(nèi)阻劇增。

MEA熱壓過程中,,熱壓時間也是一個重要因素,,時間過短,催化層和質(zhì)子交換膜粘結(jié)不夠,,時間過長,,質(zhì)子交換膜活性基團(tuán)受到影響,催化層多孔結(jié)構(gòu)受到破壞,,兩種情況都會影響MEA性能,,選擇合適的熱壓時間很重要。


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