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膜電極制備為什么要精密熱壓？這篇文章告訴你！
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膜電極（MEA）作為燃料電池的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響到燃料電池的發(fā)電效率。當(dāng)前，第三代有序化膜電極正在快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)高性能膜電極技術(shù)備受關(guān)注。膜電極由質(zhì)子交換膜（PEM）與兩側(cè)催化劑層（CL）、氣體擴(kuò)散層（GDL）組成，在制備膜電極過(guò)程中，有一個(gè)重要工藝步驟——熱壓。 什么是“熱壓”，膜電極制備為什么要進(jìn)行“熱壓”，在這里一起來(lái)了解下。 熱壓處理的必要性主要體現(xiàn)在5個(gè)方面： 1，改善催化層與質(zhì)子交換膜的界面接觸特性 通過(guò)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(qiáng)，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(zhì)子傳導(dǎo)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(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)120~160℃的熱壓，可使PEM部分軟化，與CL形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得催化劑的抗剝離強(qiáng)度提高3~5倍，避免了運(yùn)行中因濕度變化導(dǎo)致的層間分離。 2，調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)，提高傳質(zhì)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(zhì)子的傳輸路徑更短更均勻。通過(guò)調(diào)整熱壓時(shí)間（通常30-180秒），可形成梯度孔隙結(jié)構(gòu)：CL表層保留較大孔（利于氣體擴(kuò)散），底層形成致密微孔（促進(jìn)質(zhì)子傳導(dǎo)），可避免水淹或膜干涸的問(wèn)題。 3，激活質(zhì)子交換膜性能PEM 在熱壓過(guò)程中，其磺酸基團(tuán)在高溫下可重新排列，形成連續(xù)質(zhì)子通道，從而大幅提高電導(dǎo)率。 4，消除微觀缺陷 通過(guò)熱壓引起CL塑性變形，可迫使CL中存在的納米級(jí)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(shù)協(xié)同控制 在熱壓處理過(guò)程中，催化層不可避免會(huì)受到影響，如何更好地優(yōu)化熱壓工藝？目前，學(xué)術(shù)界做了很多探索，圍繞“熱壓溫度T、熱壓壓力P、熱壓時(shí)間t”等關(guān)鍵參數(shù)展開(kāi)研究。膜電極熱壓的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制溫度、壓力、時(shí)間三要素。 熱壓溫度過(guò)低，壓力過(guò)低，時(shí)間過(guò)短，催化層中Nafion樹(shù)脂溶液和膜的溫度未達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，將導(dǎo)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(dǎo)致膜與催化層的脫落，傳質(zhì)不暢，性能降低。 相反，溫度、壓力、時(shí)間參數(shù)過(guò)高，膜的分子結(jié)構(gòu)將破壞，膜穿透或被壓薄，膜的傳質(zhì)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(zhuǎn)變溫度只有160℃左右，而溫度過(guò)高會(huì)引起膜過(guò)度變形。而壓強(qiáng)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致GDL碳纖維斷裂（壓強(qiáng)閾值約20 MPa）。 在理想狀態(tài)下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓力控制，壓力會(huì)均勻分布在膜電極表面，各個(gè)部位受壓一致，測(cè)試效果會(huì)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(huì)使膜電極內(nèi)部孔隙率分布不均勻，進(jìn)而影響燃料電池性能。 因此，我們必須借助專用設(shè)備進(jìn)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(shí)驗(yàn)論文成功。 在壓力控制上，DC TP-100膜電極精密壓機(jī)采用四柱平板熱壓設(shè)計(jì)，保證壓力均勻一致，最大可施加10t液壓壓力。這是一個(gè)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(guó)際單位壓強(qiáng)公式 1Pa=1 N/m²，1MPa=1,000,000 Pa 39,200,000 N/m² = 39.2 MPa 即：最大可對(duì)膜電極施加39.2MPa壓強(qiáng) 可以看到，DC TP-100膜電極精密壓機(jī)完全足夠滿足壓力控制需求。當(dāng)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(yè)界一般認(rèn)為熱壓溫度100-130℃比較合適，超過(guò)160℃會(huì)造成破壞。DC TP-100膜電極精密壓機(jī)具備上下兩層調(diào)溫，溫控范圍 50-350℃，完全足夠滿足熱壓處理溫度控制需求。 在時(shí)間控制上，熱壓時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，一般幾十秒到幾分鐘就可以了。DC TP-100膜電極精密壓機(jī)擁有100分鐘的自動(dòng)計(jì)時(shí)功能，完全足夠滿足時(shí)間控制需求。 |
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