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膜電極制備為什么要精密熱壓?這篇文章告訴你!

來源:理化有限公司   2025年05月12日 09:35  

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膜電極(MEA)作為燃料電池的關鍵部件,其性能好壞直接影響到燃料電池的發電效率。當前,第三代有序化膜電極正在快速發展,開發高性能膜電極技術備受關注。膜電極由質子交換膜(PEM)與兩側催化劑層(CL)、氣體擴散層(GDL)組成,在制備膜電極過程中,有一個重要工藝步驟——熱壓。


什么是“熱壓”,膜電極制備為什么要進行“熱壓”,在這里一起來了解下。


熱壓處理的必要性主要體現在5個方面:

1,改善催化層與質子交換膜的界面接觸特性

通過熱壓工藝可減少CL、PEM和GDL之間的空隙,使其形成緊密的物理接觸。

例如,通常施加5~15 MPa的壓強,可以迫使催化劑嵌入PEM表面,降低界面阻抗20~40%左右,從而提升質子傳導效率,減小電壓損失,提升膜電極的電流密度,有助于高性能燃料電池技術開發應用。同時,通過120~160℃的熱壓,可使PEM部分軟化,與CL形成一定的網絡結構,使得催化劑的抗剝離強度提高3~5倍,避免了運行中因濕度變化導致的層間分離。


2,調控孔隙結構,提高傳質效率

熱壓工藝可壓縮CL的孔隙率,縮小孔徑分布,使得氣體、質子的傳輸路徑更短更均勻。通過調整熱壓時間(通常30-180秒),可形成梯度孔隙結構:CL表層保留較大孔(利于氣體擴散),底層形成致密微孔(促進質子傳導),可避免水淹或膜干涸的問題。


3,激活質子交換膜性能PEM

在熱壓過程中,其磺酸基團在高溫下可重新排列,形成連續質子通道,從而大幅提高電導率。


4,消除微觀缺陷

通過熱壓引起CL塑性變形,可迫使CL中存在的納米級氣泡或裂紋得到填充,消除缺陷。因此,催化劑的利用率也可以得到20%~30%的提升。


5、工藝參數協同控制

在熱壓處理過程中,催化層不可避免會受到影響,如何更好地優化熱壓工藝?目前,學術界做了很多探索,圍繞“熱壓溫度T、熱壓壓力P、熱壓時間t”等關鍵參數展開研究。膜電極熱壓的關鍵在于精準控制溫度、壓力、時間三要素。


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熱壓溫度過低,壓力過低,時間過短,催化層中Nafion樹脂溶液和膜的溫度未達到其玻璃化轉化溫度,將導致催化層和膜的接觸不良,接觸電阻增大,接觸電阻增大,將導致膜與催化層的脫落,傳質不暢,性能降低。


相反,溫度、壓力、時間參數過高,膜的分子結構將破壞,膜穿透或被壓薄,膜的傳質能力降低或失去,電池性能同樣降低。由于PEM(如Nafion 117)玻璃化轉變溫度只有160℃左右,而溫度過高會引起膜過度變形。而壓強過高會導致GDL碳纖維斷裂(壓強閾值約20 MPa)。

在理想狀態下,通過合理的結構設計和壓力控制,壓力會均勻分布在膜電極表面,各個部位受壓一致,測試效果會非常好。


自組裝的膜電極很難做到受力均勻,不均勻的壓力會使膜電極內部孔隙率分布不均勻,進而影響燃料電池性能。

因此,我們必須借助專用設備進行膜電極精密熱壓處理,以保證獲得良好的膜電極樣品,助力實驗論文成功。


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在壓力控制上,DC TP-100膜電極精密壓機采用四柱平板熱壓設計,保證壓力均勻一致,最大可施加10t液壓壓力。這是一個什么概念呢?我們以5×5cm2 膜電極熱壓處理為例。


10 t=10,000 kg

依牛頓第二定律 F=ma

10,000 kg × 9.8 m/s2 =98,000 N

5×5 cm2=25 cm2=0.0025 m2

98,000 N ÷ 0.0025 m2 = 39,200,000 N/m2 

依國際單位壓強公式

1Pa=1 N/m2,1MPa=1,000,000 Pa

39,200,000 N/m2 = 39.2 MPa

即:最大可對膜電極施加39.2MPa壓強


可以看到,DC TP-100膜電極精密壓機足夠滿足壓力控制需求。當然,日常膜電極的熱壓處理一般5MPa就可以了,即施加1.275t的液壓壓力。


在溫度控制上,業界一般認為熱壓溫度100-130℃比較合適,超過160℃會造成破壞。DC TP-100膜電極精密壓機具備上下兩層調溫,溫控范圍 50-350℃,足夠滿足熱壓處理溫度控制需求。


在時間控制上,熱壓時間不能過長,一般幾十秒到幾分鐘就可以了。DC TP-100膜電極精密壓機擁有100分鐘的自動計時功能,足夠滿足時間控制需求。


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