燃料電池電極膜介紹及其性能要求
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王麗華
2023-03-06
燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的效率限制，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是未來非常重要的汽車動(dòng)力裝置發(fā)展的方向。而燃料電池單體內(nèi)部非常重要的部件就是膜電極（MEA）。MEA（Membrane Electrode Assembly）又譯為膜電極，它是燃料電池發(fā)電的關(guān)鍵核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元 — 燃料電池單電池。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要將多個(gè)單電池組合成為燃料電池電堆以滿足不同大小功率輸出的需要。圖1是由膜電極與極板組成的單個(gè)燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
膜電極的工作過程可以分為以下幾個(gè)步驟：
首先，氫氣通過陽極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陽極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化層，吸附在陽極催化劑層，氫氣在催化劑鉑的催化作用下分解為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子H+，并釋放出2個(gè)電子。這一過程稱為氫的陽極氧化過程，陽極上發(fā)生的反應(yīng)為：
H2 = 2H+ + 2e
在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陰極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過外電路也到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這一過程稱為氧的陰極還原過程，
陰極上發(fā)生的反應(yīng)為：
O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
總的化學(xué)反應(yīng)式為：
2H2 + O2 = 2H2O
與此同時(shí)，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當(dāng)連接可以向負(fù)載輸出電能，生成的水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。
全氟磺酸樹脂質(zhì)子交換膜是一種固體聚合物電解質(zhì),可以在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑等介質(zhì)苛刻條件下使用,廣泛應(yīng)用在氯堿工業(yè),水電解工業(yè)和電化學(xué)合成等領(lǐng)域;這種膜具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和電池性能，其很大的缺點(diǎn)是在脫水后容易變得很脆，這就是嚴(yán)重影響它在燃料電池中的應(yīng)用。
ePTFE膜通過雙向拉伸工藝制備而成，具有“微纖維—節(jié)點(diǎn)”的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的小孔徑達(dá)0.1μm，每平方厘米面積上微孔個(gè)數(shù)高達(dá)數(shù)十億個(gè)。它能夠阻擋液態(tài)水或固體顆粒的通過，同時(shí)又能讓空氣或水蒸汽通過，因此具有良好的防水、防塵和透氣透濕功能，同時(shí)ePTFE有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，將PTFE膜作為全氟磺酸膜的支撐體，將兩種膜進(jìn)行復(fù)合制得一種質(zhì)子交換膜，其不僅有良好的機(jī)械強(qiáng)度和透氣性能，并且有很好的電池性能。
高性能的ePTFE全氟磺酸復(fù)合膜就應(yīng)具有下列特性：
（1）能夠很大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應(yīng)氣體順利由擴(kuò)散層到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。即很大限度發(fā)揮單位面積和單位質(zhì)量的催化劑的反應(yīng)活性。因此，氣體擴(kuò)散電極必須具備適當(dāng)?shù)氖杷?，一方面保證反應(yīng)氣體能夠順利經(jīng)過很短的通道到達(dá)催化劑，另一方面確保生成的產(chǎn)物水能夠潤(rùn)濕膜，同時(shí)多余的水可以排出防止阻塞氣體通道
（2）形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇?。質(zhì)子交換膜燃料電池采用的是固體電解質(zhì)，磺酸根固定在離子交換膜樹脂上，不會(huì)浸入電極內(nèi)，因此必須確保反應(yīng)在電極催化層內(nèi)建立質(zhì)子通道
（3）形成良好的電子通道，膜電極中碳載鉑催化劑是電子的良導(dǎo)體，但PTFE的存在將在一定程度上影響電導(dǎo)率，在滿足離子和氣體傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上還要考慮電子傳導(dǎo)能力
（4）氣體擴(kuò)散電極應(yīng)該保證良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱性
（5）膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，能夠很好地隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及抗水解性
日津科技在防水透氣膜應(yīng)用領(lǐng)域深耕多年，產(chǎn)品種類豐富，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。同時(shí)日津科技擁有強(qiáng)大的膜材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)，先進(jìn)的制膜生產(chǎn)線，獨(dú)立完整的材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室以及高精密的膜材料檢測(cè)設(shè)備。企業(yè)以客戶為中心，可依據(jù)客戶的各種應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行膜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)以及生產(chǎn)，可以完全滿足客戶的定制需求，追求合作發(fā)展，引領(lǐng)技術(shù)前沿。
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