超薄膜在膜电极中的组装使用问题

首先来看一张图吧，有点直观的感受。图中所示为商业气体扩散层和约25微米的质子膜制备的膜电极。

用商业GDL制备的膜电极。中间绿色部分为质子交换膜，厚度大约25微米，白色为催化层，蓝色为微孔层，红色为气体扩散层（GDL），主要为碳纸。Journal of Power Sources 520 (2022) 230832，

从图中可以看到，经过热压后，质子膜在膜电极中处于高度变形状态，起伏很大。这时候，质子膜受到了较大的应力，这种应力对于膜电极的性能和稳定性都是极为不利的。

图中可以看出，催化层和膜的结合受到这种应力影响，结合的不好，有分离存在。

应力拉扯的位置更容易在不同湿度循环、温度循环、化学腐蚀等恶劣条件下快速破坏，更容易出现穿孔，导致膜电极失效，从而导致电池失效。

可以设想，如果质子膜变成现在的1/25以下，也就是小于1微米，那么这种应力还能受得了吗？

质子膜会不会在制备膜电极的时候就破裂？

会不会更快的穿孔？

会不会与催化剂的结合更差呢？

造成上述问题的主要原因是现有的气体扩散层，尤其是其中的碳纸在数十微米尺度下的均匀性较差，而且表面的起伏加大。

为了解决上述问题，最好的办法就是制备一种平整度更高的GDL。

以此为出发点，我们课题组制备了一种平整度很高的GDL，如下图所示。

用我们课题组的GDL制备的膜电极。中间绿色部分为质子交换膜，厚度大约25微米，白色为催化层，蓝色为微孔层，红色为气体扩散层（GDL），主要为碳纸。Journal of Power Sources 520 (2022) 230832，

从图中可以看出，中间的质子膜的起伏很小，平整度非常高。

相比较上一张图，这边我们只是替换了我们自己的GDL，其他的都一样。

所以GDL对膜电极平整度有着决定性的影响。

在这种条件下，质子膜可以做的非常薄。即使1个微米以下也不会产生过大的应力。

这里的GDL看上去更像是一个铠甲，从两侧紧紧的保护着中间的质子膜。

说到这里，不得不提一点。

这种超平整的GDL几乎跟催化剂，以及质子膜整合成一个整体。

各个层非常清晰，但是又结合非常紧密，几乎没有缝隙。

所以，不经意下，这里也实现了我们前面的一个观点，也就是把膜电极当成一个整体来看待，而且要尽可能把膜电极的各个材料组合成一个整体，尽量增加各个层之间的集合紧密程度。

当我们把膜电极的整体性提高的时候，各个材料之间就可以形成互补的关系。

比如在很薄的情况下，质子膜的强度比较低，这时候由于GDL的强度比质子膜大，就算是差不多，那么形成整体之后，整体的强度必然远大于每个个体。

膜电极在使用的时候也是作为整体使用的。

所以，如果把整体的概念深入到膜电极中，那么膜电极的设计和制备很可能进行更深度的优化和改进。

最后我们可以看出，如果要使用超薄的质子膜，还需要其他材料，尤其是GDL的进步，并不是他一个人的事情。

说了这么多，那么质子膜的极限厚度到底是多少呢？

后面将是质子膜极限厚度探讨的最后一篇。

预知极限厚度，请听下篇分解！