氢燃料电池的核心——膜电极
氢燃料电池的核心——膜电极
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一、膜电极是什么
膜电极(membrane electrode assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)的核心部件，为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。
为了实现燃料电池商业化目标，需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外，各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。
膜电极，暗流科技
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：
H 2 =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：
½O 2 +2H + +2e - = H 2 O
总的化学反应式为：
H 2 +½O 2 =H 2 O
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。
膜电极，鸿基创能
三、膜电极的特点
高性能的膜电极具有以下特点：
能够最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。
形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。
形成良好的电子通道。
气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性。
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膜具有高的质子传导性。
四、膜电极的结构组成
膜电极（MEA）主要由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成。
1、质子交换膜
质子交换膜在燃料电池中的主要作用是实现质子的快速传导，同时也阻隔氢气和氧气、氮气在阴阳极之间的渗透。质子交换膜的性能好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。理想的质子交换膜需要具备高质子传导率，低电子导电率，气体渗透性低，化学、电化学、热稳定性好等特点。
质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟聚合物质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜和非氟化聚合物质子交换膜。
其中，由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，力学性能、化学稳定性、热稳定性好，使用寿命也优于其它膜材料的使用寿命。同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性，全氟磺酸膜成为目前主流质子交换膜方案。
全氟磺酸燃料电池质子膜，东岳未来
燃料电池用质子交换膜，科润新材
催化层是膜电极的重要组成部分，阳极使用催化剂促进氢气的氧化反应，涉及氧化反应、气体扩散、电子运动、质子运动、水的迁移等多种过程。阴极使用催化剂促进氧气的还原反应，涉及氧的还原、氧气扩散、电子运动、质子运动、反应生成 的水排出等。
良好的催化剂应该具有良好的催化活性、高质子传导率、高电子传导率和良好的水管理能力、气体扩散能力。
催化剂，中自科技
两片多孔气体扩散层（GDL）将膜电极组合体夹在中间，主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。
理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水/憎水平衡、高化学稳定性、高热稳定性以及低成本等特点。
气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成。
气体扩散层，通用氢能
气体扩散层，西格里碳素
膜电极是由质子交换膜、催化剂层、边框以及扩散层组成，那么它如何从原材料变成了成品，这其中两个主要的工艺环节就是薄膜制备和催化剂涂布。
目前，CCM法（Catalyst Coated Membrane催化剂直接涂抹技术）是应用最广泛的MEA制备方法，将催化剂涂布在质子交换膜的两侧，再通过热压法将气体扩散层和附着催化层的质子交换膜结合在一起。
东莞嘉拓的CCM涂布机
通过CCM制备工艺增加了催化剂和质子交换膜的接触面积，降低了质子交换膜和催化剂之间的阻抗，提升了膜电极性能。
五、国内外膜电极主要厂商
国内外膜电极厂商主要有 巴拉 德、 戈尔 、 庄信万丰、 理工氢电、 未势能源、 擎动科技、 新源动力、 鸿基创能、 唐锋能源、 南科燃料电池、 桑莱特、 广东喜玛拉雅氢能、 亿氢科技 、 国氢科技 、 东方电气、 泰极动力、 中氢科技、 锋源氢能 、 博氢集团、 中自科技、 百坤氢能、 纳尔氢电、 中船712所、 威孚高科、 台湾扬志股份 、 众创新能、韵量燃料电池、 旭晟东阳等。
来源：网络