干貨：膜電極介紹及性能要求

概述：燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的效率限制，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是未來重要的汽車動(dòng)力裝置發(fā)展的方向。而燃料電池單體內(nèi)部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(fā)電的關(guān)鍵核心部件，膜電極與其兩側(cè)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要將多個(gè)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(gè)燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意圖

膜電極的工作過程可以分為以下幾個(gè)步驟：

首先，氫氣通過陽極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陽極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)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(gè)氫離子，即質(zhì)子H＋，并釋放出2個(gè)電子。這一過程稱為氫的陽極氧化過程，

陽極上發(fā)生的反應(yīng)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(chǎng)到達(dá)陰極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過外電路也到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這一過程稱為氧的陰極還原過程，

陰極上發(fā)生的反應(yīng)為：

1／2O2＋2H＋＋2e ＝ H2O

總的化學(xué)反應(yīng)式為：

H2＋1／2O2＝H2O

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

MEA作為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本單元，它的設(shè)計(jì)和制備首先要遵循燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本原理和特性，并且與燃料電池終的使用條件相結(jié)合來綜合考慮。MEA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝技術(shù)是燃料電池研究的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了燃料電池的工作性能。那么，理想的膜電極應(yīng)滿足哪些要求呢？

高性能的膜電極應(yīng)具有下列特性：

（1）能夠大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應(yīng)氣體順利由擴(kuò)散層到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。即大限度發(fā)揮單位面積和單位質(zhì)量的催化劑的反應(yīng)活性。因此，氣體擴(kuò)散電極必須具備適當(dāng)?shù)氖杷?，一方面保證反應(yīng)氣體能夠順利經(jīng)過短的通道到達(dá)催化劑，另一方面確保生成的產(chǎn)物水能夠潤濕膜，同時(shí)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?shù)淖枇ΑＹ|(zhì)子交換膜燃料電池采用的是固體電解質(zhì)，磺酸根固定在離子交換膜樹脂上，不會(huì)浸入電極內(nèi)，因此必須確保反應(yīng)在電極催化層內(nèi)建立質(zhì)子通道。要達(dá)到上述目的就必須采用電極催化層的立體化技術(shù)，即采用Nafion樹脂浸漬或噴涂催化劑層，在其構(gòu)成的親水網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立一個(gè)由Nafion樹脂構(gòu)建的H＋傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)

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

（4）氣體擴(kuò)散電極應(yīng)該保證良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱性

（5）膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性。能夠很好地隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)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(guān)鍵。材料本身的性能與制備膜電極的工藝條件相結(jié)合才能滿足膜電極終性能的要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］．Nakamura M， Hosako Y， Ohashi H， et al． Porous carbon electrode materials method for manufacturing the same and carbon fiber paper［P］． EP： 1195 828， 2002

［2］．Sergei G A， John A， Recent progress in performance improvement of the proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）， J． Power Sources 107 （2002） 5–12

［3］．Victor T， Peter W， Heiko L， et al． Electrode substrate for electrochemical cells based on low－cost manufacturing process［P］． US： 6511 768， 2003

［4］．朱相麗，沈曾民，張學(xué)軍，燃料電池用碳材料的研究進(jìn)展，電源技術(shù)，2004，28（6）：380～384．

文章來源：轉(zhuǎn)載自維科網(wǎng)入駐維科號(hào)《氫電能源聯(lián)盟》  侵刪