一文讓你看懂膜電極參數檢測的意義

背景

近年，氫能概念異常火爆，氫能社會已不再是未來，氫燃料電池也越來越被公眾所耳熟能詳，但真正了解氫燃料電池核心零部件——膜電極的卻寥寥無幾。

膜電極到底是什么？表征膜電極的品質的參數有哪些？每種參數代表了燃料電池的何種特性？檢測這些參數對燃料電池的使用具有哪些意義？這些問題你真的知道么？

這篇文章幫你徹底認識膜電極參數，掌握讀懂燃料電池性能變化的關鍵密碼。

膜電極是什么？

目前人們常提到的氫能電池或者氫燃料電池在專業領域被稱為質子交換膜燃料電池（PEMFC）。看名字就知道，質子交換膜是燃料電池中的關鍵零件，但通常它并不會單獨存在于燃料電池當中，而是與催化劑層、氣體擴散層等組成多層的整體組件在燃料電池中發揮作用，這個整體組件就是我們所說的膜電極（MEA）。

膜電極是氫、氧發生電化學反應的重要場所，是質子和電子的傳輸媒介，也是氣體和水的進出通道。單片氫燃料電池通常由膜電極、雙極板、密封圈和端板等部件組成，而多個單片電池串聯壓裝后組成燃料電池堆。

如果說電堆是燃料電池系統的核心，那么膜電極就是核心中的核心。膜電極本身的品質直接決定了燃料電池乃至整個系統的性能和壽命。

那么問題來了，哪些參數可以表征膜電極的品質？每種參數代表了燃料電池的何種特性？檢測膜電極的這些參數對燃料電池的使用具有哪些意義？這篇文章幫你徹底認識膜電極參數，讀懂燃料電池發電性能發生變化的底層邏輯。

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膜電極參數有哪些？有什么意義？

膜電極作為燃料電池的一個關鍵組件，其固有的物理參數，如質子交換膜厚度、催化劑載量、氣體擴散層孔隙率等，都不同程度地決定著燃料電池的發電能力。

這些物理參數在膜電極設計之初就已經被廠家確定，并嚴格依照這些物理參數進行膜電極的制備。

但由于各電堆制造廠商在電堆壓裝過程中的工藝不同，以及電堆的運行工況也不相同，導致膜電極的物理參數在壓裝后和使用過程中都出現不同程度的變化，并且這些參數在成堆后難以被直接測量出來，從而難以通過物理參數來評估堆內膜電極的品質。

相較于物理參數，膜電極的電化學參數則可以在成堆后被無損地檢測，更能直觀地表征膜電極的品質與狀態。目前，常用的膜電極電化學參數包括氫滲電流密度、催化劑活性面積、雙電層電容、歐姆阻抗和短路電阻。

氫滲電流密度

氫滲電流密度表征氫氣從陽極到陰極的滲透強度。

燃料電池工作時，陽極和陰極之間存在氫氣的濃度梯度，在濃度梯度的作用下，陽極的氫氣會以分子的形式透過膜電極滲透到陰極。

這樣的滲透會對燃料電池造成諸多不利影響：首先，滲透到陰極的氫氣會在陰極區域直接被氧化卻沒有對外發電，造成了燃料利用率的降低；更嚴重的是，滲透到陰極的氫氣發生氧化反應放熱，會在該區域產生局部的熱點，從而加快質子交換膜的降解，縮短燃料電池的壽命，危及燃料電池的使用安全。

對于良品膜電極來說，其氫滲電流會維持在較低水平，而次品膜電極或老化的膜電極，其質子交換膜可能會出現裂紋、穿孔等現象，這將導致氫滲電流密度的顯著增加。

因此，氫滲電流密度實際上表征了質子交換膜的致密程度，檢測膜電極的氫滲電流密度，可以直觀、有效地衡量膜電極中質子交換膜的品質或者老化程度，對判別燃料電池故障原因、預估燃料電池的老化狀態、保證燃料電池的使用安全具有重要意義。

電子顯微鏡下的膜裂紋、穿孔形態^{[1, 2, 3]}

催化劑活性面積

催化劑活性面積，又稱催化劑有效活性面積，即膜電極搭載的催化劑中真正起到催化作用的那部分催化劑的比表面積，表征了膜電極催化劑的活性點位的多少。

隨著燃料電池的使用，膜電極上的催化劑顆粒會逐漸發生團聚，造成催化劑活性面積的不斷減小，催化能力逐漸下降，使得燃料電池的發電性能受到影響。

可以看出，催化劑活性面積代表著膜電極上催化劑的實際催化能力。檢測催化劑活性面積不僅可以評估催化劑涂敷的均勻程度，還可以準確的衡量催化劑老化的進程，對燃料電池的性能評價和壽命評估有著重要意義。

電子顯微鏡下膜電極上Pt催化劑分布狀態及粒徑的演變（新膜電極vs.使用后的膜電極）^[4]

雙電層電容

在膜電極陰、陽極催化劑和質子交換膜的界面上，由于電荷極性分布而形成了雙電層結構。雙電層電容就是指該雙電層結構所具有的電容值。

雙電層電容表征了膜電極催化層的界面功能狀態。燃料電池使用過程中其雙電層的充放電過程屬于非法拉第反應，與催化劑的活性點位無關，但可以間接表征催化劑載體碳的粒徑大小從而判斷催化劑或者碳載體的形貌改變，并以此評估催化劑涂敷質量和老化程度。

歐姆阻抗

歐姆阻抗即燃料電池工作時的內阻，表征了燃料電池中離子阻抗和各部件接觸電阻之和。歐姆阻抗的存在會造成燃料電池輸出電壓的下降，影響燃料電池的輸出性能。

膜電極各組件間的接觸不良，比如說質子交換膜與催化劑層、催化劑層與氣體擴散層之間的分層等都會造成歐姆阻抗升高。

此外，質子交換膜的增濕不夠也將導致膜內離子傳導性能的下降，造成歐姆阻抗的升高。

因此，通過對膜電極歐姆阻抗的測量，不僅可以有效地判別膜電極各組件間的接觸狀態，也可以檢測質子交換膜的水含量，對評估電堆的組裝質量和電堆的運行狀態有著至關重要的意義。

電子顯微鏡下膜電極的質子交換膜與催化劑層之間發生的分層現象^{[5, 6]}

短路電阻

短路電阻表征了膜電極對電子流動的阻力，主要代表著質子交換膜的電子絕緣性。

良好增濕的質子交換膜是離子的傳遞通道，同時起到隔絕氣體和阻擋電子移動的作用。

短路電阻過低，就意味著燃料電池內部可能發生了內部微短路，這對電池的性能、壽命和安全性將造成惡劣影響。

隨著燃料電池的使用，膜電極逐漸老化，其中的質子交換膜會逐漸變薄，甚至發生穿孔和破裂等極端情況，這會使膜兩側的催化劑層或者氣體擴散層等發生接觸，造成局部內短路。

在大電流作用下，這些區域將產生熱點，進一步分解質子交換膜，造成不可挽回的惡劣后果。

通過檢測膜電極的短路電阻，可以獲悉質子交換膜的使用狀態，有效預判或者規避膜電極內短路的發生，從而保證燃料電池的安全使用。

膜電極短路位點的虛擬平面圖（黃色明亮區域為短路位點），右側為短路位點處的橫截面電鏡實拍圖，顯示該處發生了膜變薄、裂紋等改變^[1]

以上列舉的電化學參數只是眾多膜電極參數中最具代表性的幾種，它們從不同角度表征著膜電極（包括質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）的品質和性能。

這些參數之間相互聯系，相互影響，通過這些參數，我們有效地了解電堆內膜電極的運行狀態，有效地規避風險，最終保障燃料電池的高性能、長壽命的使用。

下一期，我們將為大家匯總介紹膜電極參數的常用檢測方法，敬請期待！

參考文獻

[1] Singh, Yadvinder, Orfino, et al. 3D Failure Analysis of Pure Mechanical and Pure Chemical Degradation in Fuel Cell Membranes.

[2] Schmittinger W , Vahidi A . A review of the main parameters influencing long-term performance and durability of PEM fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2008, 180(1):1-14.

[3] Yan Q , Toghiani H , Lee Y W . Effect of sub-freezing temperatures on a PEM fuel cell performance, startup and fuel cell components[J]. Journal of Power Sources, 2006, 160(2):1242-1250.

[4] Borup R , Meyers J , Pivovar B , et al. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation.[J]. Chemical Reviews, 2010, 38(50):no-no.

[5] Kundu S , Fowler M W , Simon L C , et al. Morphological features (defects) in fuel cell membrane electrode assemblies[J]. Journal of Power Sources, 2006, 157(2):650-656.

[6] Ren P , Pei P , Li Y , et al. Degradation mechanisms of proton exchange membrane fuel cell under typical automotive operating conditions[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2020, 80:100859.

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氫華新源孵化于清華大學車輛與運載學院汽車安全與節能國家重點實驗室，是氫能社會愿景下聚焦于燃料電池壽命全生命周期管理的高科技企業。氫華新源團隊核心成員均來自清華大學，在氫能與燃料電池領域具有豐富的研發和產品經驗。氫華新源依托十余年燃料電池相關核心技術積累，自主研發了燃料電池電堆膜電極多參數檢測設備、電堆氣體分配檢測設備和車載故障診斷智能終端，并在此基礎上建設燃料電池全生命周期精細化數據平臺，面向燃料電池全產業鏈提供研發支持、數據挖掘及檢測服務，從生產研發端、應用過程端和故障維修端為燃料電池保駕護航，解決燃料電池壽命痛點，推動燃料電池行業更高質量發展。

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