行業(yè)動態(tài)
行業(yè)動態(tài)
涂布技術(shù)為氫燃料電池“助力”，氫能作為一種清潔能源已經(jīng)從理論走向了現(xiàn)實（轉(zhuǎn)載）
質(zhì)子交換膜燃料電池屬于低溫燃料電池，不僅運行溫度低、能量轉(zhuǎn)換效率高而且壽命相對比較長，是目前最有希望替代傳統(tǒng)能源裝置的設(shè)備之一。
質(zhì)子交換膜燃料電池主要由膜電極（MEA）、雙極板等部件組成，雙極板可分為碳板、復(fù)合板、金屬板等，可控制氣體流動均一性、防止氣體直接接觸、及時排水、傳遞電子。
③對 CO 以及 S 化物的容忍程度比較差，較低濃度的 CO 以及 S 化物就會造成質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑中毒。
膜電極
因此，測定質(zhì)子交換膜的氫滲透系數(shù)和電阻值，是研究燃料電池的性能、使用壽命以及安全運行的關(guān)鍵。
催化層（CL）
催化層是電極反應(yīng)進行的最主要場所，由催化劑及載體和離聚物組成，主要作用是用來加快H2和02的反應(yīng)速率，理想的催化層是電導(dǎo)率、質(zhì)子電導(dǎo)率、氣態(tài)反應(yīng)物傳輸和催化劑可及性之間的優(yōu)化平衡。
質(zhì)子交換膜燃料電池中的催化層主要以 Pt/C 為主，貴金屬Pt的成本以及碳元素的腐蝕是影響催化層性能的重要因素。目前催化層按照堆疊形狀的不同可以分為顆粒型、柱狀型以及纖維型，其中顆粒堆疊型催化劑層是當(dāng)前商業(yè)化的主流。
氣體擴散層（GDL）
通常，氣體擴散層連接雙極板和催化劑層，由大孔層(作為背襯層，由碳紙或碳布組成)和微孔層(由碳粉和疏水/親水物質(zhì)組成) 組成。氣體擴散層中的大孔基底是氣體流動孔隙率的最大貢獻者，并且其具有高電導(dǎo)率。微孔層用于降低電阻電流，安排疏水性水平和水上交通控制，并防止催化層滲入。
氣體擴散層是一個分隔器，并使水分遠離電極的層，還作為氣體擴散器，提供路徑給電極外的電子和水。因此，必須滿足以下幾個要求：高電子傳導(dǎo)性、疏水性(用于排水) 和用于促進氣體傳輸?shù)酱呋瘎拥碾娀瘜W(xué)反應(yīng)的能力。此外，氣體擴散層應(yīng)當(dāng)為電解質(zhì)提供機械支撐。
制備方法
膜電極從原材料變成了成品，這其中兩個主要的工藝環(huán)節(jié)就是薄膜制備和催化劑涂布。由于膜電極制備工藝尚處于探索階段，每家膜電極廠商的制備工藝都不相同，國內(nèi)幾乎看不到合適的“通用”設(shè)備，這需要膜電極廠家提“需求”給設(shè)備廠商去定制開發(fā)。
膜電極制備方法根據(jù)催化層支撐體的不同可以分為兩類：一類是CCS(catalyst-coated substrate)法，是將催化劑活性組分直接涂覆在氣體擴散層上，分別制備出涂布了催化層的陰極和陽極氣體擴散層，然后用熱壓法將兩個氣體擴散層壓制在質(zhì)子交換膜兩側(cè)得到MEA(圖(a))；另一類是CCM(catalyst-coated membrane)法，是將催化劑活性組分涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，再將陰極和陽極氣體擴散層分別貼在兩側(cè)的催化層上經(jīng)熱壓得到膜電極(圖 (b))。
圖 MEA制備流程示意圖
(a)CCS法；(b)CCM法
噴涂法操作簡單、易于控制，是最常用的實驗室制膜電極方法。超聲噴涂法是用超聲波發(fā)生器替代空氣泵進行噴涂的方法。超聲波發(fā)生器可以使噴射液體的尖端以高頻率震動，通過調(diào)整超聲噴涂的噴嘴，從而控制噴涂的流速液滴尺寸和霧化模式，使催化劑漿料均勻噴出。Huang 等利用超聲噴涂法制備了低Pt 載量且性能較高的膜電極。
此外，與手工噴涂、空氣噴涂、刀具涂層等制備方法相比，在類似性能下，超聲噴涂法制備的膜電極Pt負(fù)載量最低。但噴涂法也存在一些問題，如漿料分散不均導(dǎo)致催化劑和離聚物團聚，不利于噴涂，最終影響燃料電池性能。
（圖片來源：http://www.cbea.com/qyjs/201908/489401.html）
刮涂法操作簡單、工作效率高，可用于大規(guī)模膜電極制備，主要是使用刮刀將催化劑漿料刮涂在陰離子交換膜或氣體擴散層上。Bender 等利用刮涂法將催化劑漿料刮涂至聚四氟乙烯(PTFE) 底膜上，并與噴涂法對比，認(rèn)為刮涂法更精確且速度更快。刮涂法雖然催化劑涂覆載量精度高、可重復(fù)性好，但仍存在一問題，如由于催化劑漿料直接涂覆在陰離子交換膜表面，陰離子交換膜易出現(xiàn)溶脹問題，影響電池的性能。
該方法需配合刮刀涂布技術(shù)，將催化劑漿料負(fù)載于貼花基材上，然后通過熱轉(zhuǎn)印后轉(zhuǎn)移至質(zhì)子交換膜上。
在轉(zhuǎn)印法的制備過程中，沒有直接與溶劑相接觸，可以有效避免質(zhì)子交換膜的“溶脹”現(xiàn)象，被認(rèn)為是最合適的大規(guī)模生產(chǎn)膜電極的方法。目前，貼花轉(zhuǎn)印法最大難點是選擇與催化劑漿料有良好適應(yīng)性的貼花基底材料，所用的貼花基材不僅要具有一定的“親和力”，易于漿料的鋪展，還要易于使催化劑層從上面剝離為了同時達到這兩點而不增加其他步驟。
轉(zhuǎn)印法制備流程繁瑣、耗時，存在不均勻或者不完全轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，容易造成催化劑的浪費，催化劑層要經(jīng)歷兩次熱壓操作，在高溫下容易造成催化劑層變形和氧化。此外，在大電流區(qū)域工作時，排水困難和質(zhì)量傳輸受阻礙的問題會被放大。
文章來源：中國涂布技術(shù)研究
