热压工艺对不同载铂量超声喷涂膜电极性能的影响
热压工艺对不同载铂量超声喷涂膜电极性能的影响 | 驰飞超声波
氢能作为清洁低碳的新型能源载体，正在全球能源转型中扮演重要角色。质子交换膜燃料电池是氢能利用的核心设备之一，它能直接将氢气的化学能转化为电能，具备能效高、零排放、运行噪音低等优势，可广泛应用于交通、分布式发电等场景。而膜电极组件是这类燃料电池的核心部件，电池内部的电化学反应、气体与电荷传输都在此完成，其制备工艺直接决定电池的输出性能与使用寿命。
目前膜电极主流采用催化剂涂覆膜工艺制作，先通过超声喷涂等方式将催化涂层均匀附着在质子交换膜表面。超声喷涂凭借涂层均匀、原料利用率高、重复性好等优点，成为制备高性能电极的常用手段。不过喷涂完成后，后续的热压处理同样关键。热压是将电极置于高温压板之间，在设定温度、压力和时长下进行压制，目的是强化各层界面结合、降低接触电阻、优化内部传质通道。但业内对于热压的实际作用一直存在争议：有研究表明合理热压能提升电池性能，也有实验发现不当热压会破坏电极结构，反而造成性能下降。尤其在低铂化成为行业发展主流的当下——减少贵金属铂的用量是降低燃料电池成本、推动商业化的关键，热压对不同铂含量电极的影响规律，一直缺少系统研究。
为此，研究人员针对两类典型电极展开对比实验：一类是常规铂载量电极，另一类是低铂载量电极。实验全面探究了热压压力、温度、时间三大参数带来的变化，同时分析电极微观结构与电化学性能的演变规律，最终发现热压的作用效果和电极铂载量密切相关，二者存在明确的临界分界值。
对于常规铂载量的膜电极，合适的热压条件可以带来明显增益。适度压力能够压实界面、降低欧姆电阻与物质传输阻力；当热压温度超过质子交换膜的玻璃化转变温度时，催化剂的有效反应面积可提升四成以上。实验筛选出最优热压参数组合，在此条件下，电池峰值功率密度能够提升12%以上。但热压时长必须严格控制，若压制时间达到10分钟，电极内的离子聚合物会发生热分解，质子传输通道被堵塞，电池性能会大幅衰减。
和常规电极截然不同，低铂载量电极完全不适宜进行热压处理。这类电极的催化涂层本身更薄、孔隙结构也更为疏松，在外力与高温共同作用下，涂层内部的孔洞极易发生塌陷。孔隙结构受损后，反应气体无法顺畅输送至催化活性位点，催化剂利用率随之下降，无论采用何种热压参数，最终都会导致电池整体性能变差。
通过多组梯度实验测算得出，0.24 mg·cm⁻²是热压效果发生转变的临界铂载量。当电极铂载量高于该数值时，合理热压可优化结构、提升性能；低于该数值时，热压只会产生负面作用。这一结论厘清了过往研究中观点矛盾的原因：不同实验采用的电极铂载量不一样，自然会得到热压“有益”或“有害”的不同结果。
这项研究明确了热压工艺的适用边界，为燃料电池量产提供了实用的工艺准则。在生产传统高铂电极时，可采用匹配的温压参数进行短时热压，充分发挥工艺优势；而面向低成本、轻量化的低铂电极产品，则应当直接取消热压工序，保护电极原生的多孔结构。
如今，降本增效是燃料电池产业化的核心方向。该成果打通了超声喷涂制膜电极与后段热压工艺的适配逻辑，既能保留成熟工艺的优势，又能规避工艺误用带来的损耗。未来依托这套工艺准则，可进一步优化电极制备全流程，助力低成本、长寿命的质子交换膜燃料电池更快走向规模化应用，为氢能产业发展筑牢技术基础。
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