氢燃料电池膜电极复合的关键工艺探究

氢能被誉为二十一世纪的“终极能源”，代表着清洁能源的发展方向，已上升为中国以及世界主要发达国家的国家能源战略。

氢能可实现真正意义上零排放，是已知最安全、高效的清洁能源。燃料电池是氢能利用的核心，而膜电极则是燃料电池的“芯片”，也是整个系统中技术含量最高的一个环节。

氢燃料膜电极通常由三个部分组成：阳极、阴极和电解质膜。阳极和阴极都需要具有催化剂活性，以促进氢气和氧气的反应。电解质膜需要具有高的质子传导性能，以促进氢气在电解质膜中的分解和质子的穿透。

在氢燃料膜电极中，氢气在阳极侧进入，经过阳极催化剂的作用，被分解成质子和电子：

H2→2H++2e-

质子穿过电解质膜，而电子则沿着外部电路流动，产生电流。在阴极侧，氧气通过阴极催化剂与电子反应，生成水：

1/2O2+2H++2e-→H2O

这个过程是燃料电池产生电能的关键反应。同时，水也是燃料电池的排放物之一。

在设计和制备氢燃料膜电极时，需要考虑以下因素：

催化剂活性：阳极和阴极催化剂需要具有高的活性，以促进氢气和氧气的反应。常用的催化剂包括铂、钯、铁等。

电子传导：电子需要沿着外部电路流动，产生电流。为了保证良好的电子传导，阳极和阴极需要使用高导电性材料，如碳纤维、碳黑等。

质子传导：电解质膜需要具有高的质子传导性能，以促进氢气在电解质膜中的分解和质子的穿透。常用的电解质膜包括质子交换膜、聚合物电解质膜等。

耐久性：氢燃料膜电极需要具有良好的耐久性，以保证燃料电池的寿命和稳定性。在设计和制备过程中需要考虑材料的稳定性和耐久性。

总之，氢燃料膜电极是燃料电池中的核心部件之一，其性能和稳定性对于燃料电池的效率和寿命至关重要。为了实现高效、可靠的燃料电池。

氢燃料电池产业链

氢燃料电池产业链包括制氢、储氢、加氢、燃料电池系统（含系统辅件）以及其下游应用环节，整个产业链可以简单图示如下：

氢燃料电池工作原理

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极扩散，在催化剂作用下释放电子，电子通过外部的负载到达阴极，而不含电子的氢原子（质子）则透过质子交换膜到达阴极后与氧原子结合生产水。

作为燃料电池“芯片”的膜电极，主要包括质子交换膜、催化剂和气体扩散层（碳布）。性能上，膜电极需要具有良好的化学稳定性和机械强度。结构如下：

氢燃料电池膜电极的复合是指将阴极和阳极两个电极分别涂覆在电解质膜的两侧，形成一个三明治结构的电极膜组件。这个过程是氢燃料电池的关键步骤之一，也是实现高效、稳定氢燃料电池性能的关键之一。

氢燃料电池膜电极复合的关键性有以下几个方面：

1、提高反应速率和效率：氢燃料电池膜电极复合可以提高反应物的接触面积和扩散速率，从而提高反应速率和效率。通过优化复合工艺和材料的选择，可以进一步提高电极反应速率和效率。

2、保证稳定性和耐久性：氢燃料电池膜电极复合要求电极与电解质膜之间紧密贴合，并且要有良好的耐久性和稳定性。如果电极与电解质膜没有良好的贴合，就会导致氢气、氧气和水的泄漏，从而影响氢燃料电池的性能和寿命。

3、提高能量密度和功率密度：氢燃料电池膜电极复合可以提高氢燃料电池的能量密度和功率密度。电极和电解质膜之间的距离越小，电池的内阻越小，从而可以提高电池的功率密度。而且，优化复合工艺和材料的选择可以提高电池的能量密度，从而实现更长的续航里程。

膜电极的复合

膜电极复合前，需要将阳极和阴极催化剂分别涂布到离型膜上（即CCM涂布）。联净（LEPT）采用狭缝涂布方式，可实现微米级精密调节；并采用精密张力控制系统，可实现最小张力2N，涂布精度可控制在±1.5%。

联净（LEPT）主要工艺说明及参数：

采用狭缝涂布方式，涂布与背辊间隙可实现微米级精密调节

采用精密张力控制系统，可实现最小张力2N

基材幅宽：≤600mm

涂布速度：2~10m/min

涂布张力范围：2N（min.）

涂布厚度：10~30μm

涂布精度：±1.5%

烘箱温度：50~150℃

烘箱温度精度：±2℃

联净（LEPT）采用五合一连续卷对卷生产线，先将涂布在离型膜上的阴极和阳极催化剂分别以转印的方式复合到质子交换膜，然后再复合扩散层（碳布），之后直接分切成需要的尺寸。

主要工艺说明及参数：

生产线速度：1~10m/min

基材宽度：≤600mm

张力范围：2N（min.）

复合辊温度：≤250℃

温度精度：±1℃

复合辊机械精度：±0.001mm（@RT），±0.005mm（@PT）

综上所述，氢燃料电池膜电极复合是氢燃料电池性能和寿命的关键因素之一，需要进行精密的工艺控制和材料选择，以实现高效、稳定、耐久的氢燃料电池性能。