热压法在氢燃料电池膜电极制备方面的应用

膜电极（MEA）被称为氢燃料电池的“心脏”，是多项物质传输和电化学反应的核心场所。

膜电极，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层三部分组成，在相应温度、压力和时间下，热压成为三合一组件，其承担了燃料电池全部电化学反应，以及电子、质子、气体和水的传导，高性能、低铂载量、低成本、长寿命的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。

膜电极技术共经历了三代革新，大体上可分为GDE热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型：

第一代热压法膜电极（GDE），指将催化剂涂布在气体扩散层上，后用热压法将气体扩散电极和质子交换膜结合在一起，该方法总体性能不高，目前已基本淘汰；

第二代CCM膜电极，指采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法直接将催化剂、磺酸树脂和适当分散剂组成的浆料涂布到质子交换膜两侧，该方法提高了催化剂的利用率与耐久性，目前商业化程度最高，已大批量生产；

第三代有序化膜电极，指把Pt催化剂制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，获得坚固、完整的催化层，该方法进一步提高了燃料电池性能，降低催化剂铂载量，是目前膜电极制造研究的热点，但仍处于研发试验阶段，只有小部分公司实现量产，如3M。

热压法是制备膜电极的重要方法和步骤，热压过程中温度，压力和时间三个因素决定了MEA的性能，其中温度对MEA性能的影响，主要体现在催化层与质子交换膜的质子通道的建立情况，只有当热压温度超过质子交换膜的玻璃态转化温度，催化层与质子交换膜才能牢固结合，从而达到降低接触电阻的目的，热压温度高于质子交换膜的玻璃化温度，催化层和质子交换膜都达到软化点以上，粘结良好，有利于建立质子通道，降低阻抗，但热压温度超过一定范围，质子交换膜里的活性基团受到破坏，反而不利于质子在膜中的传导。

热压压强对MEA的性能影响体现在两个方面，一方面，增加热压压强有利于MEA各层的接触，降低电阻，改善性能，另一方面MEA的催化层是个多孔电极结构，层内的反应是固液气三相界面的反应，催化层必须有一定数量的孔，便于反应中气水的传导，压强过大会破坏这种结构，降低MEA的性能，气体扩散层是碳纤维组成的，热压压强超过一定值会导致大量纤维断裂，影响质子传导，造成MEA内阻剧增。

MEA热压过程中，热压时间也是一个重要因素，时间过短，催化层和质子交换膜粘结不够，时间过长，质子交换膜活性基团受到影响，催化层多孔结构受到破坏，两种情况都会影响MEA性能，选择合适的热压时间很重要。