膜電極（MEA）作為燃料電池的關(guān)鍵部件,，其性能好壞直接影響到燃料電池的發(fā)電效率,。當(dāng)前，第三代有序化膜電極正在快速發(fā)展,，開(kāi)發(fā)高性能膜電極技術(shù)備受關(guān)注,。膜電極由質(zhì)子交換膜（PEM）與兩側(cè)催化劑層（CL）、氣體擴(kuò)散層（GDL）組成,，在制備膜電極過(guò)程中,，有一個(gè)重要工藝步驟——熱壓。

什么是“熱壓”,，膜電極制備為什么要進(jìn)行“熱壓”,，在這里一起來(lái)了解下。

熱壓處理的必要性主要體現(xiàn)在5個(gè)方面：

1,，改善催化層與質(zhì)子交換膜的界面接觸特性

通過(guò)熱壓工藝可減少CL,、PEM和GDL之間的空隙，使其形成緊密的物理接觸,。

例如,，通常施加5~15 MPa的壓強(qiáng),，可以迫使催化劑嵌入PEM表面，降低界面阻抗20~40%左右,，從而提升質(zhì)子傳導(dǎo)效率,，減小電壓損失，提升膜電極的電流密度,，有助于高性能燃料電池技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用,。同時(shí)，通過(guò)120~160℃的熱壓,，可使PEM部分軟化,，與CL形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得催化劑的抗剝離強(qiáng)度提高3~5倍,，避免了運(yùn)行中因濕度變化導(dǎo)致的層間分離,。

2，調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu),，提高傳質(zhì)效率

熱壓工藝可壓縮CL的孔隙率,，縮小孔徑分布，使得氣體,、質(zhì)子的傳輸路徑更短更均勻,。通過(guò)調(diào)整熱壓時(shí)間（通常30-180秒），可形成梯度孔隙結(jié)構(gòu)：CL表層保留較大孔（利于氣體擴(kuò)散）,，底層形成致密微孔（促進(jìn)質(zhì)子傳導(dǎo)）,，可避免水淹或膜干涸的問(wèn)題。

3,，激活質(zhì)子交換膜性能PEM

在熱壓過(guò)程中,，其磺酸基團(tuán)在高溫下可重新排列，形成連續(xù)質(zhì)子通道,，從而大幅提高電導(dǎo)率,。

4，消除微觀缺陷

通過(guò)熱壓引起CL塑性變形,，可迫使CL中存在的納米級(jí)氣泡或裂紋得到填充,，消除缺陷。因此,，催化劑的利用率也可以得到20%~30%的提升,。

5、工藝參數(shù)協(xié)同控制

在熱壓處理過(guò)程中,，催化層不可避免會(huì)受到影響,，如何更好地優(yōu)化熱壓工藝？目前，學(xué)術(shù)界做了很多探索,，圍繞“熱壓溫度T,、熱壓壓力P、熱壓時(shí)間t”等關(guān)鍵參數(shù)展開(kāi)研究,。膜電極熱壓的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制溫度,、壓力、時(shí)間三要素,。

熱壓溫度過(guò)低,，壓力過(guò)低，時(shí)間過(guò)短,，催化層中Nafion樹(shù)脂溶液和膜的溫度未達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度,，將導(dǎo)致催化層和膜的接觸不良，接觸電阻增大,，接觸電阻增大，將導(dǎo)致膜與催化層的脫落,，傳質(zhì)不暢,，性能降低。

相反,，溫度,、壓力、時(shí)間參數(shù)過(guò)高,，膜的分子結(jié)構(gòu)將破壞,，膜穿透或被壓薄，膜的傳質(zhì)能力降低或失去,，電池性能同樣降低,。由于PEM（如Nafion 117）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度只有160℃左右，而溫度過(guò)高會(huì)引起膜過(guò)度變形,。而壓強(qiáng)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致GDL碳纖維斷裂（壓強(qiáng)閾值約20 MPa）,。

在理想狀態(tài)下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓力控制,，壓力會(huì)均勻分布在膜電極表面,，各個(gè)部位受壓一致，測(cè)試效果會(huì)非常好,。

自組裝的膜電極很難做到受力均勻,，不均勻的壓力會(huì)使膜電極內(nèi)部孔隙率分布不均勻，進(jìn)而影響燃料電池性能,。

因此,，我們必須借助專用設(shè)備進(jìn)行膜電極精密熱壓處理，以保證獲得良好的膜電極樣品,，助力實(shí)驗(yàn)論文成功,。

在壓力控制上,，DC TP-100膜電極精密壓機(jī)采用四柱平板熱壓設(shè)計(jì)，保證壓力均勻一致,，最大可施加10t液壓壓力,。這是一個(gè)什么概念呢？我們以5×5cm2 膜電極熱壓處理為例,。

10 t=10,000 kg

依牛頓第二定律 F=ma

10,000 kg × 9.8 m/s2 =98,000 N

5×5 cm2=25 cm2=0.0025 m2

98,000 N ÷ 0.0025 m2 = 39,200,000 N/m2 

依國(guó)際單位壓強(qiáng)公式

1Pa=1 N/m2,，1MPa=1,000,000 Pa

39,200,000 N/m2 = 39.2 MPa

即：最大可對(duì)膜電極施加39.2MPa壓強(qiáng)

可以看到，DC TP-100膜電極精密壓機(jī)足夠滿足壓力控制需求,。當(dāng)然,，日常膜電極的熱壓處理一般5MPa就可以了，即施加1.275t的液壓壓力,。

在溫度控制上,，業(yè)界一般認(rèn)為熱壓溫度100-130℃比較合適，超過(guò)160℃會(huì)造成破壞,。DC TP-100膜電極精密壓機(jī)具備上下兩層調(diào)溫,，溫控范圍 50-350℃，足夠滿足熱壓處理溫度控制需求,。

在時(shí)間控制上,，熱壓時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，一般幾十秒到幾分鐘就可以了,。DC TP-100膜電極精密壓機(jī)擁有100分鐘的自動(dòng)計(jì)時(shí)功能,，足夠滿足時(shí)間控制需求。