膜電極は燃料電池のコア成分であり、不均一な材料の輸送と電気化学反応を統合し、プロトン交換膜燃料の性能、寿命、およびコストを直接決定します。両側の膜電極と双極板は一緒に単一の燃料電池を形成し、複数の単一セルの組み合わせにより、さまざまな出力要件を満たすために燃料電池スタックを形成できます。 MEA構造の設計と最適化、材料選択、および製造プロセスの最適化は、常にPEMFC研究の焦点でした。 PEMFCの開発プロセスでは、膜電極技術は、主に3つのタイプに分割された数世代のイノベーションを受けました：GDEホットプレス法、1つの膜電極に3つ、順序付けられた膜電極。
1。GDEホットプレスフィルム電極
第一世代のMEA調製技術は、PEMの両側にCLでコーティングされたカソードおよびアノードGDLSを圧縮するために、「GDE」構造として知られるMEAを取得するためにホットプレス法を使用しました。
GDEタイプMEAの調製プロセスは、GDLで均一にコーティングされている触媒のおかげで、実際に比較的単純です。このデザインは、MEAの細孔の形成を促進するだけでなく、PEMを変形から巧みに保護します。ただし、このプロセスは完璧ではありません。 GDLでコーティングされた触媒の量を正確に制御できない場合、触媒スラリーがGDLに浸透し、その結果、効率が完全に発生しない触媒が生じる可能性があり、使用率は20％ほど低くなり、MEAの製造コストが大幅に増加する可能性があります。
GDL上の触媒コーティングとPEMの拡張システムとの間の矛盾があるため、2つの間の界面は長期操作中に層間剥離を起こしやすくなります。これは、燃料電池の内部接触抵抗の増加につながるだけでなく、理想的なレベルに到達するにはほど遠い、MEAの全体的な性能を大幅に減らします。 GDE構造に基づいたMEAの準備プロセスは基本的に排除されており、それに注意を払った人はほとんどいません。
2。1つの膜電極に3つ
ロールに直接コーティング、スクリーン印刷、スプレーコーティングなどの方法を使用することにより、触媒、ナフィオン、および適切な分散剤で構成されるスラリーが、MEAを取得するためにプロトン交換膜の両側に直接コーティングされます。
GDEタイプのMEA調製方法と比較して、CCMタイプはパフォーマンスが向上し、剥がすのは簡単ではなく、触媒層とPEMの間の伝達抵抗を減らします。触媒層、それにより触媒層とPEMを促進します。それらの間の陽子の接触と伝達は、プロトン移動の抵抗を減らし、それによりMEAの性能を大幅に改善します。 MEAの研究は、GDEタイプからCCMタイプに移行しました。さらに、CCMタイプMEAのPT負荷が比較的低いため、MEAの全体的なコストが削減され、利用率が大幅に改善されます。 CCMタイプMEAの欠点は、燃料電池の操作中に水洪水が発生しやすいことです。主な理由は、MEA触媒層に疎水性剤がなく、ガスチャネルが少なく、ガスと水の透過抵抗が比較的高いことです。したがって、ガスと水の透過抵抗を減らすために、触媒層の厚さは一般に10μm以下です。
優れた包括的なパフォーマンスにより、CCMタイプMEAは自動車燃料電池の分野で商品化されています。たとえば、トヨタミライ、ホンダクラリティなど。中国のウハン工科大学が開発したCCMタイプMEAは、燃料電池フォークリフトで使用するために米国で電力を供給するために輸出されています。 Dalian Xinyuan Powerによって開発されたCCM型MEAは、0.4mgpt/cm2という低いプラチナベースの貴金属負荷容量を備えたトラックに適用されています。電力密度は0.96W/cm2に達します。同時に、Kunshan Sunshine、Wuhan Himalaya、Suzhou Qingdong、Shanghai Jiao Tong University、Dalian Institute of Chemical Physicsなどの企業や大学も、高性能CCMタイプ測定を開発しています。コム、ゴアなどの外国企業
3。秩序化された膜電極
GDEタイプMEAおよびCCM型MEAの触媒層は、触媒および電解質溶液と混合して、触媒スラリーを形成し、その後コーティングされます。効率は非常に低く、有意な偏光現象がありますが、これはMEAの高電流分泌物を助長しません。さらに、MEAのプラチナ荷重は比較的高くなっています。高性能、長命、および低コストの測定の開発が注目の焦点となっています。秩序化されたMEAのPT使用率は非常に高く、MEAのコストを効果的に削減し、陽子、電子、ガス、水、その他の物質の効率的な輸送を達成し、PEMFCの包括的な性能を改善します。
順序付けられた膜電極には、カーボンナノチューブに基づいた順序膜電極、触媒薄膜に基づいた順序膜電極、およびプロトン導体に基づく秩序化された膜電極が含まれます。
カーボンナノチューブベースの順序膜電極
炭素ナノチューブのグラファイト格子特性は、高い電位に耐性があり、PT粒子との相互作用と弾力性はPT粒子の触媒活性を高めます。過去10年ほどで、垂直に整列したカーボンナノチューブ（VACNT）に基づく薄膜が開発されました。電極。垂直方向の配置メカニズムは、ガス拡散層、排水能力、およびPT利用効率を高めます。
vacntは2つのタイプに分けることができます。1つは、湾曲した炭素ナノチューブで構成されています。別のタイプは、まっすぐで密な炭素ナノチューブで構成される中空のカーボンナノチューブです。
触媒薄膜に基づいた秩序化膜電極
触媒薄膜の順序は、主にPTナノチューブ、PTナノワイヤなどのPTナノ秩序化された構造を指します。その中には、触媒秩序化された膜電極の代表は、3M会社の商用製品であるNSTFです。従来のPT/C触媒と比較して、NSTFには4つの主要な特性があります。触媒キャリアは秩序あるオーガニックウィスカーです。触媒は、生物のようなウィスカーにPTベースの合金薄膜を形成します。触媒層には炭素キャリアはありません。 NSTF触媒層の厚さは1um未満です。
プロトン導体に基づいた順序膜電極
プロトン導体順序の膜電極の主な機能は、ナノワイヤポリマー材料を導入して、触媒層の効率的なプロトン輸送を促進することです。 Yuとその他。 TiO2ナノチューブアレイ（TNT）のTiO2/Ti構造をチタンシートで調製し、その後、HTNTを取得するために水素大気でアニーリングを行いました。 PT PD粒子は、SNCL2感作と変位法を使用してH-TNTSの表面に調製され、高出力密度燃料電池をもたらしました。
Tsinghua Universityの核科学研究所と自動車工学部は、Nafion Nanowiresの高速陽子伝導機能に基づいて、初めて新規注文触媒層を合成しました。次の特性があります。ナフィオンナノロッドは陽子交換膜上でその場で成長し、界面接触抵抗はゼロに縮小されます。触媒伝導機能と電子伝導機能の両方を伴うナフィオンナノロッド上のPt粒子触媒層の堆積。ナフィオンナノロッドには、陽子導電率が高くなります。
秩序化された膜電極は、間違いなく次世代膜電極調製技術の主な方向です。プラチナグループ要素の負荷を減らす間、5つの側面をさらに考慮する必要があります。秩序化された膜電極は不純物に非常に敏感です。材料の最適化、特性評価、およびモデリングを通じて、膜電極の作業範囲を拡張します。高速プロトン導体ナノ構造を触媒層に導入します。低コストの大量生産プロセス開発;膜電極プロトン交換膜、電気触媒、およびガス拡散層の相互作用と相乗効果の深さの研究。
膜電極調製技術と超音波スプレー法の利点：
（1）超音波ノズルの出力や周波数などのパラメーターを最適化することにより、霧化した触媒スラリーはリバウンドが少なくなり、走行しやすくなり、触媒の利用率が改善されます。
（2）超音波振動ロッドは触媒粒子を高度に分散させ、超音波分散インジェクターは触媒スラリーに二次的な攪拌効果があり、プラチナ化学汚染の確率と反応活性領域の減少を大幅に減らします。
（3）膜電極の大量生産に適した操作が容易で、高度に自動化されています。
膜電極は燃料電池のコア成分であり、不均一な材料の輸送と電気化学反応を統合し、プロトン交換膜燃料の性能、寿命、およびコストを直接決定します。両側の膜電極と双極板は一緒に単一の燃料電池を形成し、複数の単一セルの組み合わせにより、さまざまな出力要件を満たすために燃料電池スタックを形成できます。 MEA構造の設計と最適化、材料選択、および製造プロセスの最適化は、常にPEMFC研究の焦点でした。 PEMFCの開発プロセスでは、膜電極技術は、主に3つのタイプに分割された数世代のイノベーションを受けました：GDEホットプレス法、1つの膜電極に3つ、順序付けられた膜電極。
1。GDEホットプレスフィルム電極
第一世代のMEA調製技術は、PEMの両側にCLでコーティングされたカソードおよびアノードGDLSを圧縮するために、「GDE」構造として知られるMEAを取得するためにホットプレス法を使用しました。
GDEタイプMEAの調製プロセスは、GDLで均一にコーティングされている触媒のおかげで、実際に比較的単純です。このデザインは、MEAの細孔の形成を促進するだけでなく、PEMを変形から巧みに保護します。ただし、このプロセスは完璧ではありません。 GDLでコーティングされた触媒の量を正確に制御できない場合、触媒スラリーがGDLに浸透し、その結果、効率が完全に発生しない触媒が生じる可能性があり、使用率は20％ほど低くなり、MEAの製造コストが大幅に増加する可能性があります。
GDL上の触媒コーティングとPEMの拡張システムとの間の矛盾があるため、2つの間の界面は長期操作中に層間剥離を起こしやすくなります。これは、燃料電池の内部接触抵抗の増加につながるだけでなく、理想的なレベルに到達するにはほど遠い、MEAの全体的な性能を大幅に減らします。 GDE構造に基づいたMEAの準備プロセスは基本的に排除されており、それに注意を払った人はほとんどいません。
2。1つの膜電極に3つ
ロールに直接コーティング、スクリーン印刷、スプレーコーティングなどの方法を使用することにより、触媒、ナフィオン、および適切な分散剤で構成されるスラリーが、MEAを取得するためにプロトン交換膜の両側に直接コーティングされます。
GDEタイプのMEA調製方法と比較して、CCMタイプはパフォーマンスが向上し、剥がすのは簡単ではなく、触媒層とPEMの間の伝達抵抗を減らします。触媒層、それにより触媒層とPEMを促進します。それらの間の陽子の接触と伝達は、プロトン移動の抵抗を減らし、それによりMEAの性能を大幅に改善します。 MEAの研究は、GDEタイプからCCMタイプに移行しました。さらに、CCMタイプMEAのPT負荷が比較的低いため、MEAの全体的なコストが削減され、利用率が大幅に改善されます。 CCMタイプMEAの欠点は、燃料電池の操作中に水洪水が発生しやすいことです。主な理由は、MEA触媒層に疎水性剤がなく、ガスチャネルが少なく、ガスと水の透過抵抗が比較的高いことです。したがって、ガスと水の透過抵抗を減らすために、触媒層の厚さは一般に10μm以下です。
優れた包括的なパフォーマンスにより、CCMタイプMEAは自動車燃料電池の分野で商品化されています。たとえば、トヨタミライ、ホンダクラリティなど。中国のウハン工科大学が開発したCCMタイプMEAは、燃料電池フォークリフトで使用するために米国で電力を供給するために輸出されています。 Dalian Xinyuan Powerによって開発されたCCM型MEAは、0.4mgpt/cm2という低いプラチナベースの貴金属負荷容量を備えたトラックに適用されています。電力密度は0.96W/cm2に達します。同時に、Kunshan Sunshine、Wuhan Himalaya、Suzhou Qingdong、Shanghai Jiao Tong University、Dalian Institute of Chemical Physicsなどの企業や大学も、高性能CCMタイプ測定を開発しています。コム、ゴアなどの外国企業
3。秩序化された膜電極
GDEタイプMEAおよびCCM型MEAの触媒層は、触媒および電解質溶液と混合して、触媒スラリーを形成し、その後コーティングされます。効率は非常に低く、有意な偏光現象がありますが、これはMEAの高電流分泌物を助長しません。さらに、MEAのプラチナ荷重は比較的高くなっています。高性能、長命、および低コストの測定の開発が注目の焦点となっています。秩序化されたMEAのPT使用率は非常に高く、MEAのコストを効果的に削減し、陽子、電子、ガス、水、その他の物質の効率的な輸送を達成し、PEMFCの包括的な性能を改善します。
順序付けられた膜電極には、カーボンナノチューブに基づいた順序膜電極、触媒薄膜に基づいた順序膜電極、およびプロトン導体に基づく秩序化された膜電極が含まれます。
カーボンナノチューブベースの順序膜電極
炭素ナノチューブのグラファイト格子特性は、高い電位に耐性があり、PT粒子との相互作用と弾力性はPT粒子の触媒活性を高めます。過去10年ほどで、垂直に整列したカーボンナノチューブ（VACNT）に基づく薄膜が開発されました。電極。垂直方向の配置メカニズムは、ガス拡散層、排水能力、およびPT利用効率を高めます。
vacntは2つのタイプに分けることができます。1つは、湾曲した炭素ナノチューブで構成されています。別のタイプは、まっすぐで密な炭素ナノチューブで構成される中空のカーボンナノチューブです。
触媒薄膜に基づいた秩序化膜電極
触媒薄膜の順序は、主にPTナノチューブ、PTナノワイヤなどのPTナノ秩序化された構造を指します。その中には、触媒秩序化された膜電極の代表は、3M会社の商用製品であるNSTFです。従来のPT/C触媒と比較して、NSTFには4つの主要な特性があります。触媒キャリアは秩序あるオーガニックウィスカーです。触媒は、生物のようなウィスカーにPTベースの合金薄膜を形成します。触媒層には炭素キャリアはありません。 NSTF触媒層の厚さは1um未満です。
プロトン導体に基づいた順序膜電極
プロトン導体順序の膜電極の主な機能は、ナノワイヤポリマー材料を導入して、触媒層の効率的なプロトン輸送を促進することです。 Yuとその他。 TiO2ナノチューブアレイ（TNT）のTiO2/Ti構造をチタンシートで調製し、その後、HTNTを取得するために水素大気でアニーリングを行いました。 PT PD粒子は、SNCL2感作と変位法を使用してH-TNTSの表面に調製され、高出力密度燃料電池をもたらしました。
Tsinghua Universityの核科学研究所と自動車工学部は、Nafion Nanowiresの高速陽子伝導機能に基づいて、初めて新規注文触媒層を合成しました。次の特性があります。ナフィオンナノロッドは陽子交換膜上でその場で成長し、界面接触抵抗はゼロに縮小されます。触媒伝導機能と電子伝導機能の両方を伴うナフィオンナノロッド上のPt粒子触媒層の堆積。ナフィオンナノロッドには、陽子導電率が高くなります。
秩序化された膜電極は、間違いなく次世代膜電極調製技術の主な方向です。プラチナグループ要素の負荷を減らす間、5つの側面をさらに考慮する必要があります。秩序化された膜電極は不純物に非常に敏感です。材料の最適化、特性評価、およびモデリングを通じて、膜電極の作業範囲を拡張します。高速プロトン導体ナノ構造を触媒層に導入します。低コストの大量生産プロセス開発;膜電極プロトン交換膜、電気触媒、およびガス拡散層の相互作用と相乗効果の深さの研究。
膜電極調製技術と超音波スプレー法の利点：
（1）超音波ノズルの出力や周波数などのパラメーターを最適化することにより、霧化した触媒スラリーはリバウンドが少なくなり、走行しやすくなり、触媒の利用率が改善されます。
（2）超音波振動ロッドは触媒粒子を高度に分散させ、超音波分散インジェクターは触媒スラリーに二次的な攪拌効果があり、プラチナ化学汚染の確率と反応活性領域の減少を大幅に減らします。
（3）膜電極の大量生産に適した操作が容易で、高度に自動化されています。
