HT-PEM MEA高溫質子交換膜膜電極組件介紹
發布時間：
2023-07-25
MEA（Membrane Electrode Assembly,?膜電極組件）是燃料電池的核心組件，是發生電化學反應，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，是發生電化學反應，分離出游離電子的場所。
燃料（氫氣、重整甲醇等氣體）在MEA的陽極側分離出電子，通過膜擴散至陰極，與氧化劑（氧氣、空氣）相結合發生還原反應。膜的兩側皆有不同催化劑來促進反應的進行，其中質子交換膜只允許質子通過，保持氣體的分離。通過這樣的形式來傳遞電子使兩端產生電勢差，從而形成電流。
MEA的典型結構由PEM（聚合物電解質膜）、兩種催化劑層、兩類氣體擴散層（GDL）組成，具備這種配置的MEA由于其具有5層不同結構，被稱為五合一膜電極。
另外，有一種三層的MEA結構，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。繼續在三合一的基礎上加入包含微孔層MPL的氣體擴散層GDL，又形成了一種七層結構的七合一MEA。不過一般來說會將微孔層MPL與擴散層GDL燒結在一體，采用五合一結構。
HT-PEM MEA 組成的高溫質子交換膜燃料電池由于其具有的優點（參考往期《高低溫質子交換膜燃料電池對比》），通常應用于以富氫氣體，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用場景。
相較于LT-PEM MEA（低溫質子交換膜膜電極組件），HT-PEM MEA的優勢有：
1. 在高溫環境條件下提高電極反應動力學系數和燃料的擴散速率，提高反應效率。
2. 高溫條件下不需要較高的相對濕度工作環境，使得燃料電池的水管理系統得到簡化。
3. 冷卻液和電堆的溫度差值較大，可以簡化冷卻系統。
4. 高溫環境能夠降低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、部分氟化聚合物質子交換膜材料和非氟化聚合物質子交換膜材料。
在高溫和低相對濕度下，全氟磺酸（PFSA）膜的質子電導率衰減嚴重。部分氟化聚合物膜化學穩定性和機械性能一般較差，不能滿足實際使用的需要。無氟高溫質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，玻璃化轉變溫度高、熱穩定性好、力學性能好、氣體透過率低，成為目前最受關注的HTPEM材料。PBI本身質子電導率極低，需要摻雜質子導體才能作為質子交換膜使用，磷酸(PA)摻雜的PBI膜在高溫低濕度下仍能保持較高的質子電導率。
PA-PBI膜的質子電導率隨酸摻雜水平(ADLs)的增加而增加。然而，由于摻雜酸的“塑化作用”和PBI的溶解，酸摻雜過量會導致膜的機械強度、尺寸穩定性和化學穩定性的惡化。此外，在電池運行期間，由于陰極內的水冷凝，容易析出過多的PA，從而使電池性能惡化。以上兩個關鍵方面制約了PA-PBI基膜的實際應用。
在人們不斷尋找制備可靠性能PA-PBI基膜的過程中發現，交聯是增強PA-PBI膜作為HT-PEM在抗氧化性、酸保持能力、抗降解、機械強度和尺寸穩定性等綜合性能的重要途徑。但又由于交聯度高導致交聯膜脆性大，制備難度高，以及交聯膜對PA的吸收受限等因素會導致ADL降低，影響電導率水平。
因此研制出新型交聯劑，得到在較低酸吸收水平下得到具有高電導率的的PA-PBI膜成為至關重要的一點。
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