等离子技术如何应对燃料电池性能下降的挑战
离聚物膜燃料电池对于零排放汽车等应用非常重要。在直接甲醇燃料电池（DMFC）中，量产膜（例如Nafion）的主要缺点是其甲醇的渗透率相对较大，这会导致燃料电池效率急剧下降。图8为DMFC的原理图。对这种膜进行等离子表面处理，可以降低其对甲醇的渗透性。此外，等离子表面处理可以显著提高膜与催化剂的结合力。
图1：直接甲醇燃料电池（DMFC）原理图[8-9]。
1. 等离子技术改善水分管理问题
多孔气体扩散层（GDL）是燃料电池的另一个重要组成部分。它为催化剂提供均质气流，并控制电池内的水分。特别在大范围的电压/电流极化曲线上的水分管理，对燃料电池效率非常重要。然而由于适当水分管理的重要性，GDL主要由一种强疏水性材料制成。但是部分亲水性的GDL是更好的选择，因为它可以在燃料电池中保留适量的水分。
图2：在气体扩散层（GDL）的全疏水表面上，经微波等离子处理的部位显示了亲水性（低压微波等离子处理后，粘附在这些亲水性部位的水滴）[9-10]。
通过氮等离子体工艺中对GDL进行表面处理，能够实现GDL的部分亲水性。将GDL用带孔板遮盖进行等离子体处理，GDL表面的未被遮盖区域会被改性。因此受到处理后的GDL表面的未遮盖区显示出亲水性（水滴粘附在这些区域上-图2），而GDL表面的覆盖部分则保留其初始亲水性。
2. 验证结果：燃料电池性能表现更高
与未经等离子处理GDL燃料电池相比，经过等离子处理的GDL燃料电池能提供明显更高的电压。因为未经等离子处理的GDL燃料电池的膜是干的，尤其在更高的电流密度下。而等离子体处理过GDL在使用时，电池中可以保留一定的水分，从而提高了燃料电池性能。
等离子技术可在很多方面提升性能。请联系我们，了解我们怎样为您的挑战定制或标准化我们的系统——让我们为您的创新加油。
参考资料
[1] M. Walker, K.-M. Baumgärtner, M. Kaiser, J. Kerres, A. Ullrich, E. Räuchle, J. Appl. Polym. Sci., 1999, 74, 67-73.
[2] M. Walker: Fuel Cells. [online] Homepage: University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP)
URL: https://www.igvp.uni-stuttgart.de/en/research/plasma-technology/processes/fuel-cells/ [status: June 16, 2021].
