膜电极生产工艺
膜电极是燃料电池最关键的核心部件,其性能直接决定着燃料电池的应用表现,制备高功率密度的膜电极对于支撑燃料电池的产业化具有十分重要的作用。
膜电极是发生电化学反应以及产生电能的部件,其性能除了与组成材料(质子交换膜、催化剂、气体扩散层和粘结剂)有关外,还取决于制备的技术水平。
第一代的膜电极制备工艺主要采用热压法,具体是将催化剂浆料涂覆在气体扩散层上,构成阳极和阴极催化层,再将其和质子交换膜通过热压结合在一起,形成的这种膜电极称之为“GDE”结构膜电极。
该技术优点在于膜电极的通气性能良好,制备过程中质子交换膜不易变形;缺点是催化剂涂覆在气体扩散层上,易通过孔隙嵌入到气体扩散层内部,造成催化剂的利用率下降,并且热压粘合后的催化剂层和质子交换膜之间粘力较差,导致膜电极总体性能不高。
第二代的膜电极制备技术是催化剂直接涂膜技术(catalyst coated membrane,简称CCM三合一技术)(见图3),具体是将催化层直接涂覆在质子交换膜的两侧,再通过热压的方式将其和气体扩散层结合在一起形成“CCM”结构膜电极。该技术提高了催化剂的利用率,并且由于使用质子交换膜的核心材料作为粘结剂,使催化层和质子交换膜之间的阻力降低,提高了氢离子在催化剂层的扩散和运动,从而提高性能,是目前的主流应用技术。
改进方向
结构不稳定,工艺向催化层的完整性和有序化发展
近年来,随着燃料电池汽车产业的发展,业内对膜电极的性能提出越来越高的要求,第二代膜电极制取方法还存在着反应过程中催化层结构不稳定,Pt颗粒易脱落的问题,影响着膜电极的使用寿命。针对该现象,各大研究机构结合高分子材料技术及纳米材料技术,向催化层的有序化方向发展,制成的有序化膜电极具有优良的多相传质通道,大幅度降低了膜电极中催化剂Pt的载量,并提升了膜电极的性能和使用寿命。
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