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膜电极主要制备技术及主流CCM制备工艺

为了应对日益迫切的能源可持续性需求和日益重的环境问题,

已将大量资源分配给可再生能源存储和转换的研究和开发。氢气，一

种很有前途的清洁燃料，具有高比能量(140MJkg-1),在实现国

际社会设想的碳中和方面发挥着重要作用。

MEA和催化剂层上发生的电化学反应的图形说明。

膜电极制备发展至今己历经三代。

第一代称为气体扩散型膜电极(GasDiffusionElectrode,GDE),

通常采用丝网印刷方法，将催化层制备到扩散层上。第二代为催化剂

涂覆膜(CatalystCoatedMembrane,CCM)制备法，即把催化层制备

到膜上，是目前主流的膜电极制备技术。与第一代方法相比，该方法

使用质子交换膜的核心材料作为黏结剂，降低了催化层与PEM之间的

质子传输阻力，在一定程度上提高了膜电极的性能以及催化剂的利用

率和耐久性。第三代膜电极为有序化膜电极。

1、GDE热压法膜电极

第一代MEA制备技术是采用热压法，在PEM两侧压制涂覆了CL的阴

极和阳极GDL得到MEA,这种MEA称之为“GDE”结构。

GDE型MEA制备流程示意图

GDE型MEA的制备工艺比较简单，由于催化剂是涂覆在GDL上，有利

于MEA的气孔形成，同时又能保护PEM不变形。但是，GDE型MEA在

制备过程中GDL上涂覆催化剂的量不好控制，而且催化剂浆料容易渗

透进GDL中，造成部分催化剂不能充分发挥作用，其利用率甚至低于

20%,增加了MEA的成本。此外，由于涂覆了催化剂的GDL与PEM的

膨胀系统不一样，在燃料电池长时间运行过程中，容易导致两者之间

的界面局部剥离，从而引起燃料电池内部接触电阻增加，MEA综合性

能不够理想。目前GDE结构MEA制备工艺已经很少采用，已基本被淘

汰。

2、CCM三合一膜电极

采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法直接将催化剂、Nafion

和适当分散剂组成的浆料涂布到质子交换膜两侧得到MEA。

GDE型MEA制备流程示意图

与GDE型MEA制备方法相比，CCM型较好，不易发生剥离，同时降低

了催化剂层与PEM之间的传递阻力，有利于提升质子在催化剂层的扩

散和运动，从而促进催化层和PEM之间的质子接触和转移，减小质子

转移阻抗，使得MEA性能得到了大幅度的提升，对MEA的研究由

GDE型转向CCM型。

此外，由于CCM型MEA的Pt载量比较低且利用率得到大幅度提高，

从而降低了MEA的总体成本。CCM型MEA缺点是在燃料电池运行过程

中容易发生“水淹”现象，主要原因是MEA的催化层中没有疏水剂，

气体通道比较少，气、水传输阻力较大。因此，为了减小气、水传输

阻力，催化剂层的厚度一般不超过10um。

由于CCM型MEA具有良好的综合性能，已在车用燃料电池领域得到商

业化应。比如，丰田Mirai、、本田Clarity等。国内武汉理工新能

源开发的CCM型MEA已出口美国PlugPower公司应用于燃料电池叉

车，大连新源动力开发的CCM型MEA已实现装车应用，Pt基贵金属

担载量低至0.4mgPt/cm2,功率密度达到0.96W/cm2o同时，昆山桑

莱特、武汉喜马拉雅、苏州擎动、上海交大、大连化学物理研究所等

企业及高校院所也在进行高性能CCM型MEA开发。国外科慕、戈尔、

巴拉德等公司已实现CCM型MEA开发商业化大批量生产。

3、CCM法的主要制备工艺

1.喷涂法

喷涂法制备膜电极工艺：通常是指将配置好的催化剂浆料置于喷

涂设备（一般用喷笔或喷枪，其余空气压缩泵相连接，利用后者向喷

枪提供高压）之中，利用喷枪的高压将液体催化剂浆料打散成雾状之

后将其喷涂于质子交换膜上。

喷涂法制备膜电极的流程图

喷涂法是最常用的制备膜电极的方法，其优点较多，如:

1）喷涂液量易于控制，可根据情况随时做出调整；

2）喷涂路径灵活，可以自定义，便于控制催化层的参数，包括

梯度、形状、图案等；

3）重复性好，由于超声喷涂一般自动化程度很高，喷涂过程几

乎不需要人工干预，因此可以使得喷涂得到的膜电极重复性很好。为

了进一步提高喷涂法制备的膜电极的性能，在整个喷涂法的全流程中,

可以做出如下改进：

1）对催化剂浆料中的粘结剂进行预处理；如：通过特定溶剂的

溶解性与极性来调控Nafion构象，拓展催化剂与Nafion构建