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探討鋰電池中膜電極的組成部分

鉅大LARGE  |  點擊量:1334次  |  2018年10月09日  

1)膜電極(membraneelectrodeassembly,MEA)是質子交換膜燃料電池發生電化學反應的場所,是傳遞電子和質子的介質,為反應氣體、尾氣和液態水的進出提供通道,膜電極是質子交換膜燃料電池的心臟。

膜電極通常由5部分組成,即中間的質子交換膜、兩側的陽極催化層和陰極催化層,最外側的陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。

2)當前膜電極在性能和產能方面可以初步滿足商業化需求。現階段性能初步滿足產業使用,2015年MEA,在工況條件下壽命達到2500小時,性能方面也達到810mW/cm2。

膜電極廠商具備萬平米級產能,目前做膜電極的廠商分為兩類,一種是具備膜電極產業化能力,能夠自給自足的燃料電池廠商,以豐田和Ballard為代表。

另外一種是專業的膜電極供應商,包括Gore、JM、3M、Toray(Greenerity),都已經具備了不同程度的自動化生產線,年產能在數千平米到萬平米級。

MEA生產工藝瞄準低鉑和高功率密度,有序化膜電極工藝是未來發展趨勢。

膜電極技術經歷了三代發展,大體上可以分為熱壓法、CCM(catalystcoatingmembrane)法和有序化膜電極三種類型。

目前大部分廠商選擇第二代CCM三合一膜電極技術,有序化膜電極是當下工藝發展趨勢。

有序化膜電極能兼顧超薄電極和結構控制,擁有巨大的單位體積的反應活性面積及孔隙結構相互貫通的新奇特性,可以達到高效三相傳輸、高Pt利用率、高耐久性,使其成為了PEMFC領域的研究熱點,也是下一代膜電極制備技術的主攻方向。

膜電極

質子交換膜

質子交換膜是作為PEM燃料電池的核心組件,主要功能是充當質子通道實現質子快速傳導,同時還起阻隔陽極燃料和陰極氧化物的作用,防止燃料(氫氣、甲醇等)和氧化物(氧氣)在兩個電極見發生互串,此外還需要對催化劑層起到支撐作用。

質子交換膜性能好壞直接決定著PEM燃料電池的性能和使用壽命,作為PEM材料,應具有以下性質:

全氟磺酸膜是主流質子交換膜。質子交換膜根據含氟情況進行分類主要包括全氟磺酸膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜和復合膜。

目前世界上主流質子交換膜是全氟磺酸膜,全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結構,其碳-氟鍵的鍵能高,使其力學性能和化學穩定性優異,其聚合物膜的使用壽命遠遠好于其他膜材料的使用壽命,其次分子鏈上的親水性磺酸基團具有優良的氫離子傳導特性。

全氟磺酸膜也是目前在PEMFC中唯一得到廣泛應用的質子交換膜,如美國杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列質子交換膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜,其中Nafion膜應用最廣泛。

用于PEMFC質子交換膜主要要求

1、高的質子傳導性能,可以降低電池內阻,提高電流密度。

2、較好的水穩定性、氧化穩定性和化學穩定性,能夠阻止聚合物鏈在活性物質作用下的降解。

3、較低的尺寸變化率,防止膜吸水和脫水過程中的膨脹和收縮引起的局部應力增長而造成膜與電極剝離,使電池壽命降低。

4、較高的機械強度,可加工性好,滿足大規模生產要求。

5、較低的氣體(尤其是氫氣和氧氣)滲透率,以免氫氣和氧氣在電極表面發生反應,造成電極局部過熱,影響電池的電流效率。

6、適當的性能/價格比。

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