HT-PEM MEA高溫質(zhì)子交換膜膜電極組件介紹
發(fā)布時(shí)間：
2023-07-25
MEA（Membrane Electrode Assembly,?膜電極組件）是燃料電池的核心組件，是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分離出游離電子的場所。
什么是MEA？
MEA（Membrane Electrode Assembly, 膜電極組件）是燃料電池的核心組件，是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分離出游離電子的場所。
燃料（氫氣、重整甲醇等氣體）在MEA的陽極側(cè)分離出電子，通過膜擴(kuò)散至陰極，與氧化劑（氧氣、空氣）相結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)。膜的兩側(cè)皆有不同催化劑來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，其中質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子通過，保持氣體的分離。通過這樣的形式來傳遞電子使兩端產(chǎn)生電勢差，從而形成電流。
MEA的典型結(jié)構(gòu)由PEM（聚合物電解質(zhì)膜）、兩種催化劑層、兩類氣體擴(kuò)散層（GDL）組成，具備這種配置的MEA由于其具有5層不同結(jié)構(gòu)，被稱為五合一膜電極。
另外，有一種三層的MEA結(jié)構(gòu)，它是由PEM、涂布在陰陽兩極的催化劑層組成，稱為三合一膜電極，又稱為CCM。繼續(xù)在三合一的基礎(chǔ)上加入包含微孔層MPL的氣體擴(kuò)散層GDL，又形成了一種七層結(jié)構(gòu)的七合一MEA。不過一般來說會將微孔層MPL與擴(kuò)散層GDL燒結(jié)在一體，采用五合一結(jié)構(gòu)。
HT-PEM MEA 組成的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池由于其具有的優(yōu)點(diǎn)（參考往期《高低溫質(zhì)子交換膜燃料電池對比》），通常應(yīng)用于以富氫氣體，如甲醇、乙醇、天然氣或液化石油氣重整形成的重整氣體作為燃料的固定式或便攜式應(yīng)用場景。
相較于LT-PEM MEA（低溫質(zhì)子交換膜膜電極組件），HT-PEM MEA的優(yōu)勢有：
1. 在高溫環(huán)境條件下提高電極反應(yīng)動力學(xué)系數(shù)和燃料的擴(kuò)散速率，提高反應(yīng)效率。
2. 高溫條件下不需要較高的相對濕度工作環(huán)境，使得燃料電池的水管理系統(tǒng)得到簡化。
3. 冷卻液和電堆的溫度差值較大，可以簡化冷卻系統(tǒng)。
4. 高溫環(huán)境能夠降低CO在催化劑表面上的吸附，提高催化劑對CO的耐受力，有效防止催化劑中毒，延長使用壽命。
5. 燃料選擇范圍更廣泛。
從制備HTPEM聚合物材料方面，分為全氟聚合物、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜材料和非氟化聚合物質(zhì)子交換膜材料。
在高溫和低相對濕度下，全氟磺酸（PFSA）膜的質(zhì)子電導(dǎo)率衰減嚴(yán)重。部分氟化聚合物膜化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能一般較差，不能滿足實(shí)際使用的需要。無氟高溫質(zhì)子交換膜所用聚合物主要包括磺化聚芳醚砜(SPSF)、磺化聚芳(硫)醚(SPAE)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚酰亞胺(SPI)和聚苯并咪唑(PBI)等。
其中PBI屬于特種工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能好、氣體透過率低，成為目前最受關(guān)注的HTPEM材料。PBI本身質(zhì)子電導(dǎo)率極低，需要摻雜質(zhì)子導(dǎo)體才能作為質(zhì)子交換膜使用，磷酸(PA)摻雜的PBI膜在高溫低濕度下仍能保持較高的質(zhì)子電導(dǎo)率。
PA-PBI膜的質(zhì)子電導(dǎo)率隨酸摻雜水平(ADLs)的增加而增加。然而，由于摻雜酸的“塑化作用”和PBI的溶解，酸摻雜過量會導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的惡化。此外，在電池運(yùn)行期間，由于陰極內(nèi)的水冷凝，容易析出過多的PA，從而使電池性能惡化。以上兩個(gè)關(guān)鍵方面制約了PA-PBI基膜的實(shí)際應(yīng)用。
在人們不斷尋找制備可靠性能PA-PBI基膜的過程中發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)是增強(qiáng)PA-PBI膜作為HT-PEM在抗氧化性、酸保持能力、抗降解、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等綜合性能的重要途徑。但又由于交聯(lián)度高導(dǎo)致交聯(lián)膜脆性大，制備難度高，以及交聯(lián)膜對PA的吸收受限等因素會導(dǎo)致ADL降低，影響電導(dǎo)率水平。
因此研制出新型交聯(lián)劑，得到在較低酸吸收水平下得到具有高電導(dǎo)率的的PA-PBI膜成為至關(guān)重要的一點(diǎn)。
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