燃料電池電極膜介紹及其性能要求
時間：
王麗華
2023-03-06
燃料電池是將化學能轉化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的效率限制，燃料電池發(fā)動機被認為是未來非常重要的汽車動力裝置發(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)電的關鍵核心部件，膜電極與其兩側的雙極板組成了燃料電池的基本單元 — 燃料電池單電池。在實際應用當中可以根據(jù)設計的需要將多個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燃料電池的結構示意圖。
膜電極的工作過程可以分為以下幾個步驟：
首先，氫氣通過陽極極板上的氣體流場到達陽極，通過電極上的擴散層到達陽極催化層，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個氫離子，即質(zhì)子H+，并釋放出2個電子。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到達陰極，通過電極上的擴散層到達陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時，氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。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)生的反應為：
O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
總的化學反應式為：
2H2 + O2 = 2H2O
與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當連接可以向負載輸出電能，生成的水通過電極隨反應尾氣排出。
全氟磺酸樹脂質(zhì)子交換膜是一種固體聚合物電解質(zhì),可以在強酸、強堿、強氧化劑等介質(zhì)苛刻條件下使用,廣泛應用在氯堿工業(yè),水電解工業(yè)和電化學合成等領域;這種膜具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和電池性能，其很大的缺點是在脫水后容易變得很脆，這就是嚴重影響它在燃料電池中的應用。
ePTFE膜通過雙向拉伸工藝制備而成，具有“微纖維—節(jié)點”的微觀網(wǎng)狀結構。這種網(wǎng)狀結構形成的小孔徑達0.1μm，每平方厘米面積上微孔個數(shù)高達數(shù)十億個。它能夠阻擋液態(tài)水或固體顆粒的通過，同時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ePTFE有較強的機械強度，將PTFE膜作為全氟磺酸膜的支撐體，將兩種膜進行復合制得一種質(zhì)子交換膜，其不僅有良好的機械強度和透氣性能，并且有很好的電池性能。
高性能的ePTFE全氟磺酸復合膜就應具有下列特性：
（1）能夠很大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應氣體順利由擴散層到達催化層發(fā)生電化學反應。即很大限度發(fā)揮單位面積和單位質(zhì)量的催化劑的反應活性。因此，氣體擴散電極必須具備適當?shù)氖杷?，一方面保證反應氣體能夠順利經(jīng)過很短的通道到達催化劑，另一方面確保生成的產(chǎn)物水能夠潤濕膜，同時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，不會浸入電極內(nèi)，因此必須確保反應在電極催化層內(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體，但PTFE的存在將在一定程度上影響電導率，在滿足離子和氣體傳導的基礎上還要考慮電子傳導能力
（4）氣體擴散電極應該保證良好的機械強度及導熱性
（5）膜具有高的質(zhì)子傳導性，能夠很好地隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學穩(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用領域深耕多年，產(chǎn)品種類豐富，可以滿足不同應用場景需求。同時日津科技擁有強大的膜材料研發(fā)團隊，先進的制膜生產(chǎn)線，獨立完整的材料研發(fā)實驗室以及高精密的膜材料檢測設備。企業(yè)以客戶為中心，可依據(jù)客戶的各種應用場景，進行膜產(chǎn)品設計、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，引領技術前沿。
防水透氣膜,燃料電池,ePTFE
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