燃料电池电极膜介绍及其性能要求
时间：
王丽华
2023-03-06
燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，燃料电池发动机被认为是未来非常重要的汽车动力装置发展的方向。而燃料电池单体内部非常重要的部件就是膜电极（MEA）。MEA（Membrane Electrode Assembly）又译为膜电极，它是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元 — 燃料电池单电池。在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。图1是由膜电极与极板组成的单个燃料电池的结构示意图。
膜电极的工作过程可以分为以下几个步骤：
首先，氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极，通过电极上的扩散层到达阳极催化层，吸附在阳极催化剂层，氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子，即质子H+，并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程，阳极上发生的反应为：
H2 = 2H+ + 2e
在电池的另一端，氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极，通过电极上的扩散层到达阴极催化层，吸附在阴极催化层，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水，这一过程称为氧的阴极还原过程，
阴极上发生的反应为：
O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
总的化学反应式为：
2H2 + O2 = 2H2O
与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能，生成的水通过电极随反应尾气排出。
全氟磺酸树脂质子交换膜是一种固体聚合物电解质,可以在强酸、强碱、强氧化剂等介质苛刻条件下使用,广泛应用在氯碱工业,水电解工业和电化学合成等领域;这种膜具有优良的化学稳定性和电池性能，其很大的缺点是在脱水后容易变得很脆，这就是严重影响它在燃料电池中的应用。
ePTFE膜通过双向拉伸工艺制备而成，具有“微纤维—节点”的微观网状结构。这种网状结构形成的小孔径达0.1μm，每平方厘米面积上微孔个数高达数十亿个。它能够阻挡液态水或固体颗粒的通过，同时又能让空气或水蒸汽通过，因此具有良好的防水、防尘和透气透湿功能，同时ePTFE有较强的机械强度，将PTFE膜作为全氟磺酸膜的支撑体，将两种膜进行复合制得一种质子交换膜，其不仅有良好的机械强度和透气性能，并且有很好的电池性能。
高性能的ePTFE全氟磺酸复合膜就应具有下列特性：
（1）能够很大限度减小气体的传输阻力，使得反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应。即很大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应活性。因此，气体扩散电极必须具备适当的疏水性，一方面保证反应气体能够顺利经过很短的通道到达催化剂，另一方面确保生成的产物水能够润湿膜，同时多余的水可以排出防止阻塞气体通道
（2）形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。质子交换膜燃料电池采用的是固体电解质，磺酸根固定在离子交换膜树脂上，不会浸入电极内，因此必须确保反应在电极催化层内建立质子通道
（3）形成良好的电子通道，膜电极中碳载铂催化剂是电子的良导体，但PTFE的存在将在一定程度上影响电导率，在满足离子和气体传导的基础上还要考虑电子传导能力
（4）气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性
（5）膜具有高的质子传导性，能够很好地隔绝氢气、氧气防止互窜，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性
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