膜电极的制备方法有哪些

聚合物膜的质子导电性主要取决于膜的结构及其含水量。膜的含水量通常表示为干燥聚合物膜每克中所含水的克数，或表示为聚合物每个磺酸基中存在的水分子数，λ=N(H_{2}O)/N(SO_{3}H)。膜的最大含水量主要取决于使得膜平衡的水的状态。目前已知，液态水的Nafion平衡膜(即水沸腾)中每个磺酸基大约需要22个水分子，而从汽相吸收的最大水量中每个磺酸基却只需要14个水分子，此外，从液相吸收的水取决于膜的预处理。扎沃津斯基等人表明，在105℃时膜完全干燥后吸收的水明显少于其在室温时完全干燥后所吸收的水，λ=12\sim16，这取决于105℃时干燥的膜重新水化后的温度，而λ=22与室温下干燥的膜重新水化后的温度无关。这一现象可解释为温度升高时聚合物的形态发生变化，事实上，对于一个比Nafion膜略高玻璃软化温度的实验性陶氏膜，在105℃时干燥的作用与Nafion膜相比并不明显，即在80℃时重新水化后，膜吸收的水与之前在室温下干燥的膜一样(λ=25)。从汽相吸收的水可能与燃料电池的工作更相关，其中反应气体加湿且水存在于汽相。从汽相中吸收水时注意两个特殊过程：

1)在低蒸汽活动区域，α_{H_{2}O}=0.15\sim0.75，吸水增加到大约λ=5；

2)在高蒸汽活动区域，α_{H_{2}O}=0.75\sim1.0，吸水急剧增加到大约λ=14.4。

第一个过程对于应于膜内离子溶解而吸收的水，而第二个过程对应于充满微孔并使得聚合物膨胀的水。需要注意的是，从完全饱和汽相(α_{H_{2}O}=1)吸收的水明显少于从液相(α_{H_{2}O}=1)的吸收的水，即分别为λ=14和λ=22。1903年施罗德首次发现这一现象，故称为施罗德悖论。从汽相和液相吸收的水之间存在差异的一种解释是：汽相下吸收包含了聚合物内部的冷凝水，大多位于强疏水性的聚合物主链上，从而导致吸收的水少于直接从液相吸收的水。

根据试验结果，扎沃津斯基等人拟合一个多项式方程来获得膜表面上水活性和水含量之间的关系：

λ=0.043+17.18α-39.85α^{2}+36α^{3}

式中，α为水蒸气活性。

假设气体混合特性为理想的气体，则可用相对湿度取代水蒸气活性，即p/p_{set}，其中，p为水的分压，而p_{set}为在给定温度下的饱和压力。

水吸收导致膜膨胀并改变其尺寸，这对于燃料电池的装配是一个非常重要的因素(物理特性)。

质子电导率是燃料电池中聚合物膜的最重要函数，室温下一个完全水合膜中的质子电导率约为0.1S/cm(西门子每厘米)。

水传输，电化学反应会在阴极侧反应生成水，水的生成率(单位mol\cdots^{-1}cm^{-1})为

N_{H_{2}O}=\frac{i}{2F}

式中，i为电流密度(A/cm^{2})；F为法拉第常数。

在经过电解质的质子运动下，水从阳极流动到阴极，这称为电渗迁移；水生成和电渗迁移会在膜的两侧产生一个较大的浓度梯度，在该梯度的作用下，一些水会从阴极扩散回阳极，这称为水的扩散；除了因浓度梯度导致的扩散外，在阴极和阳极之间存在压差时，水也可以从膜的一测到另一侧，这称为液压渗透。

对于薄膜而言，水的扩散足以抵消电渗迁移作用下的阳极干燥效应，然而对于较厚的膜，阳极侧会较为干燥。

气体渗透，原理上，膜应对反应物组分不可渗透，以防止反应物组分在参与化学反应之前混合，然而，由于膜多孔结构、水含量以及氢和氧在水中的可溶解性等原因，一些气体可以渗透过膜。其中，氢的渗透率比氧高一个数量级，通过潮湿的Nafion膜渗透率会再高一个数量级。