一、膜电极是什么

 

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的核心部件,为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。

 

为了实现燃料电池商业化目标,需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外,各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

氢燃料电池的核心——膜电极

膜电极,暗流科技

二、原理

 

氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极,通过电极上的扩散层到达阳极催化层,吸附在阳极催化剂层,氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子,即质子H+,并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程,阳极上发生的反应为:

H2=2H++2e-

 

在电池的另一端,氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极,通过电极上的扩散层到达阴极催化层,吸附在阴极催化层,同时,氢离子穿过电解质到达阴极,电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下,氧气与氢离子和电子发生反应生成水,这一过程称为氧的阴极还原过程,阴极上发生的反应为:

½O2+2H++2e-= H2O

 

总的化学反应式为:

H2+½O2=H2O

 

与此同时,电子在外电路的连接下形成电流,通过适当连接可以向负载输出电能,生成的水通过电极随反应尾气排出。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

膜电极,鸿基创能

 

三、膜电极的特点

 

高性能的膜电极具有以下特点:

  • 能够最大限度减小气体的传输阻力,使得反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应。
  • 形成良好的离子通道,降低离子传输的阻力。
  • 形成良好的电子通道。
  • 气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性。
  • 膜具有高的质子传导性。

 

四、膜电极的结构组成

 

膜电极(MEA)主要由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成。

 

1、质子交换膜

 

质子交换膜在燃料电池中的主要作用是实现质子的快速传导,同时也阻隔氢气和氧气、氮气在阴阳极之间的渗透。质子交换膜的性能好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。理想的质子交换膜需要具备高质子传导率,低电子导电率,气体渗透性低,化学、电化学、热稳定性好等特点。

 

质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟聚合物质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜和非氟化聚合物质子交换膜。

 

其中,由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构,其碳-氟键的键能高,力学性能、化学稳定性、热稳定性好,使用寿命也优于其它膜材料的使用寿命。同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团,具有优秀的离子传导特性,全氟磺酸膜成为目前主流质子交换膜方案。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

氢燃料电池的核心——膜电极

全氟磺酸燃料电池质子膜,东岳未来

氢燃料电池的核心——膜电极

燃料电池用质子交换膜,科润新材

2、催化剂
 

催化层是膜电极的重要组成部分,阳极使用催化剂促进氢气的氧化反应,涉及氧化反应、气体扩散、电子运动、质子运动、水的迁移等多种过程。阴极使用催化剂促进氧气的还原反应,涉及氧的还原、氧气扩散、电子运动、质子运动、反应生成 的水排出等。

 

良好的催化剂应该具有良好的催化活性、高质子传导率、高电子传导率和良好的水管理能力、气体扩散能力。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

氢燃料电池的核心——膜电极

催化剂,中自科技

3、气体扩散层(GDL)
 

两片多孔气体扩散层(GDL)将膜电极组合体夹在中间,主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。

 

理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水/憎水平衡、高化学稳定性、高热稳定性以及低成本等特点。

 

气体扩散层由支撑层和微孔层组成,支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸,微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

气体扩散层,通用氢能

氢燃料电池的核心——膜电极

气体扩散层,西格里碳素

四、MEA的制备工艺

 

膜电极是由质子交换膜、催化剂层、边框以及扩散层组成,那么它如何从原材料变成了成品,这其中两个主要的工艺环节就是薄膜制备和催化剂涂布。

 

目前,CCM法(Catalyst Coated Membrane催化剂直接涂抹技术)是应用最广泛的MEA制备方法,将催化剂涂布在质子交换膜的两侧,再通过热压法将气体扩散层和附着催化层的质子交换膜结合在一起。

 

氢燃料电池的核心——膜电极

东莞嘉拓的CCM涂布机

 

通过CCM制备工艺增加了催化剂和质子交换膜的接触面积,降低了质子交换膜和催化剂之间的阻抗,提升了膜电极性能。

 

五、国内外膜电极主要厂商

 

国内外膜电极厂商主要有巴拉德、戈尔庄信万丰、理工氢电、未势能源、擎动科技、新源动力、鸿基创能、唐锋能源、南科燃料电池、桑莱特、广东喜玛拉雅氢能、亿氢科技国氢科技东方电气、泰极动力、中氢科技、锋源氢能博氢集团、中自科技、百坤氢能、纳尔氢电、中船712所、威孚高科、台湾扬志股份众创新能、韵量燃料电池、旭晟东阳等。

 

来源:网络

原文始发于微信公众号(艾邦氢科技网):氢燃料电池的核心——膜电极

大家好,艾邦氢能源技术网的微信公众号已经开通,主要分享氢燃料电池堆(双极板,质子膜,扩散层,密封胶,催化剂等),制氢,加氢,氢燃料汽车动力系统等相关的设备,材料,配件,加工工艺的知识。同时分享相关企业信息。欢迎大家识别二维码,并通过公众号二维码加入微信群和通讯录。

作者 li, meiyong