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熱壓法在氫燃料電池膜電極MEA制備的應(yīng)用
膜電極（MEA）被稱(chēng)為氫燃料電池的“心臟"，是多項(xiàng)物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的核心場(chǎng)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(shí)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(zhǎng)壽命的膜電極對(duì)于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義。
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(lèi)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(duì)卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法直接將催化劑、磺酸樹(shù)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(jiān)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(guò)程中溫度，壓力和時(shí)間三個(gè)因素決定了MEA的性能，其中溫度對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)MEA的性能影響體現(xiàn)在兩個(gè)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(gè)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(guò)大會(huì)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(guò)一定值會(huì)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(guò)程中，熱壓時(shí)間也是一個(gè)重要因素，時(shí)間過(guò)短，催化層和質(zhì)子交換膜粘結(jié)不夠，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(huì)影響MEA性能，選擇合適的熱壓時(shí)間很重要。
