燃料電池膜電極介紹及性能要求

概述：燃料電池是將化學能轉化為電能的在線發電裝置，由于突破了傳統內燃機的效率限制，燃料電池發動機被認為是未來最重要的汽車動力裝置發展的方向。

而燃料電池單體內部最重要的部件就是膜電極（MEA）。MEA（Membrane Electrode Assembly）又譯為膜電極，它是燃料電池發電的關鍵核心部件，膜電極與其兩側的雙極板組成了燃料電池的基本單元 — 燃料電池單電池。在實際應用當中可以根據設計的需要將多個單電池組合成為燃料電池電堆以滿足不同大小功率輸出的需要。圖1是由膜電極與極板組成的單個燃料電池的結構示意圖。

圖1 燃料電池單體結構示意圖

膜電極的工作過程可以分為以下幾個步驟：

首先，氫氣通過陽極極板上的氣體流場到達陽極，通過電極上的擴散層到達陽極催化層，吸附在陽極催化劑層，氫氣在催化劑鉑的催化作用下分解為2個氫離子，即質子H+，并釋放出2個電子。這一過程稱為氫的陽極氧化過程，

陽極上發生的反應為：

H2=2H++2e

在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極極板上的氣體流場到達陰極，通過電極上的擴散層到達陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時，氫離子穿過電解質到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發生反應生成水，這一過程稱為氧的陰極還原過程，

陰極上發生的反應為：

1/2O2+2H++2e = H2O

總的化學反應式為：

H2+1/2O2=H2O

與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當連接可以向負載輸出電能，生成的水通過電極隨反應尾氣排出。

MEA作為燃料電池電化學反應的基本單元，它的設計和制備首先要遵循燃料電池電化學反應的基本原理和特性，并且與燃料電池最終的使用條件相結合來綜合考慮。MEA的結構設計和制備工藝技術是燃料電池研究的關鍵技術，它決定了燃料電池的工作性能。那么，理想的膜電極應滿足哪些要求呢？

高性能的膜電極應具有下列特性：

（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應氣體順利由擴散層到達催化層發生電化學反應。即最大限度發揮單位面積和單位質量的催化劑的反應活性。因此，氣體擴散電極必須具備適當的疏水性，一方面保證反應氣體能夠順利經過最短的通道到達催化劑，另一方面確保生成的產物水能夠潤濕膜，同時多余的水可以排出防止阻塞氣體通道

（2）形成良好的離子通道，降低離子傳輸的阻力。質子交換膜燃料電池采用的是固體電解質，磺酸根固定在離子交換膜樹脂上，不會浸入電極內，因此必須確保反應在電極催化層內建立質子通道。要達到上述目的就必須采用電極催化層的立體化技術，即采用Nafion樹脂浸漬或噴涂催化劑層，在其構成的親水網絡內建立一個由Nafion樹脂構建的H＋傳導網絡

（3）形成良好的電子通道，MEA中碳載鉑催化劑是電子的良導體，但是Nafion和PTFE的存在將在一定程度上影響電導率，在滿足離子和氣體傳導的基礎上還要考慮電子傳導能力，綜合考慮以提高MEA的整體性能。

（4）氣體擴散電極應該保證良好的機械強度及導熱性

（5）膜具有高的質子傳導性，能夠很好地隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學穩定性和熱穩定性及抗水解性

從上述分析可以看出，制備高性能的膜電極，綜合考慮選擇制備MEA的材料是關鍵。材料本身的性能與制備膜電極的工藝條件相結合才能滿足膜電極最終性能的要求。

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