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干货:膜电极介绍及性能要求

发布日期: 2021-09-18
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概述:燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置,由于突破了传统内燃机的效率限制,燃料电池发动机被认为是未来最重要的汽车动力装置发展的方向。而燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极(MEA)。MEA(Membrane Electrode Assembly)又译为膜电极,它是燃料电池发电的关键核心部件,膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元 — 燃料电池单电池。在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。图1是由膜电极与极板组成的单个燃料电池的结构示意图。

图1 燃料电池单体结构示意图

膜电极的工作过程可以分为以下几个步骤:

首先,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:

1/2O2+2H++2e = H2O

总的化学反应式为:

H2+1/2O2=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。

MEA作为燃料电池电化学反应的基本单元,它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性,并且与燃料电池最终的使用条件相结合来综合考虑。MEA的结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术,它决定了燃料电池的工作性能。那么,理想的膜电极应满足哪些要求呢?

高性能的膜电极应具有下列特性:

(1)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。即最大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应活性。因此,气体扩散电极必须具备适当的疏水性,一方面保证反应气体能够顺利经过最短的通道到达催化剂,另一方面确保生成的产物水能够润湿膜,同时多余的水可以排出防止阻塞气体通道

(2)形成良好的离子通道,降低离子传输的阻力。质子交换膜燃料电池采用的是固体电解质,磺酸根固定在离子交换膜树脂上,不会浸入电极内,因此必须确保反应在电极催化层内建立质子通道。要达到上述目的就必须采用电极催化层的立体化技术,即采用Nafion树脂浸渍或喷涂催化剂层,在其构成的亲水网络内建立一个由Nafion树脂构建的H+传导网络

(3)形成良好的电子通道。MEA中碳载铂催化剂是电子的良导体,但是Nafion和PTFE的存在将在一定程度上影响电导率,在满足离子和气体传导的基础上还要考虑电子传导能力,综合考虑以提高MEA的整体性能

(4)气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性

(5)膜具有高的质子传导性。能够很好地隔绝氢气、氧气防止互窜,有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。

从上述分析可以看出,制备高性能的膜电极,综合考虑选择制备MEA的材料是关键。材料本身的性能与制备膜电极的工艺条件相结合才能满足膜电极最终性能的要求。

参考文献:

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[4].朱相丽,沈曾民,张学军,燃料电池用碳材料的研究进展,电源技术,2004,28(6):380~384.

文章来源:转载自维科网入驻维科号《氢电能源联盟》  侵删

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