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HT-PEM MEA高温质子交换膜膜电极组件介绍

发布时间：

2023-07-25

MEA（Membrane Electrode Assembly, 膜电极组件）是燃料电池的核心组件，是发生电化学反应，分离出游离电子的场所。

什么是MEA？

MEA（Membrane Electrode Assembly, 膜电极组件）是燃料电池的核心组件，是发生电化学反应，分离出游离电子的场所。

燃料（氢气、重整甲醇等气体）在MEA的阳极侧分离出电子，通过膜扩散至阴极，与氧化剂（氧气、空气）相结合发生还原反应。膜的两侧皆有不同催化剂来促进反应的进行，其中质子交换膜只允许质子通过，保持气体的分离。通过这样的形式来传递电子使两端产生电势差，从而形成电流。

MEA的典型结构由PEM（聚合物电解质膜）、两种催化剂层、两类气体扩散层（GDL）组成，具备这种配置的MEA由于其具有5层不同结构，被称为五合一膜电极。

另外，有一种三层的MEA结构，它是由PEM、涂布在阴阳两极的催化剂层组成，称为三合一膜电极，又称为CCM。继续在三合一的基础上加入包含微孔层MPL的气体扩散层GDL，又形成了一种七层结构的七合一MEA。不过一般来说会将微孔层MPL与扩散层GDL烧结在一体，采用五合一结构。

HT-PEM MEA 组成的高温质子交换膜燃料电池由于其具有的优点（参考往期《高低温质子交换膜燃料电池对比》），通常应用于以富氢气体，如甲醇、乙醇、天然气或液化石油气重整形成的重整气体作为燃料的固定式或便携式应用场景。

相较于LT-PEM MEA（低温质子交换膜膜电极组件），HT-PEM MEA的优势有：

1. 在高温环境条件下提高电极反应动力学系数和燃料的扩散速率，提高反应效率。

2. 高温条件下不需要较高的相对湿度工作环境，使得燃料电池的水管理系统得到简化。

3. 冷却液和电堆的温度差值较大，可以简化冷却系统。

4. 高温环境能够降低CO在催化剂表面上的吸附，提高催化剂对CO的耐受力，有效防止催化剂中毒，延长使用寿命。

5. 燃料选择范围更广泛。

从制备HTPEM聚合物材料方面，分为全氟聚合物、部分氟化聚合物质子交换膜材料和非氟化聚合物质子交换膜材料。

在高温和低相对湿度下，全氟磺酸（PFSA）膜的质子电导率衰减严重。部分氟化聚合物膜化学稳定性和机械性能一般较差，不能满足实际使用的需要。无氟高温质子交换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)、磺化聚酰亚胺(SPI)和聚苯并咪唑(PBI)等。

其中PBI属于特种工程塑料，玻璃化转变温度高、热稳定性好、力学性能好、气体透过率低，成为目前最受关注的HTPEM材料。PBI本身质子电导率极低，需要掺杂质子导体才能作为质子交换膜使用，磷酸(PA)掺杂的PBI膜在高温低湿度下仍能保持较高的质子电导率。

PA-PBI膜的质子电导率随酸掺杂水平(ADLs)的增加而增加。然而，由于掺杂酸的“塑化作用”和PBI的溶解，酸掺杂过量会导致膜的机械强度、尺寸稳定性和化学稳定性的恶化。此外，在电池运行期间，由于阴极内的水冷凝，容易析出过多的PA，从而使电池性能恶化。以上两个关键方面制约了PA-PBI基膜的实际应用。

在人们不断寻找制备可靠性能PA-PBI基膜的过程中发现，交联是增强PA-PBI膜作为HT-PEM在抗氧化性、酸保持能力、抗降解、机械强度和尺寸稳定性等综合性能的重要途径。但又由于交联度高导致交联膜脆性大，制备难度高，以及交联膜对PA的吸收受限等因素会导致ADL降低，影响电导率水平。

因此研制出新型交联剂，得到在较低酸吸收水平下得到具有高电导率的的PA-PBI膜成为至关重要的一点。

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