氢燃料电池电堆核心部件之膜电极

氢燃料电池电堆核心部件之膜电极。---鑫台铭提供。

膜电极是PEMFC的电化学反应场所，是燃料电池的核心部件。

PEMFC的核心组件就是膜电极（MembraneElectrodeAssembly，MEA），它一般由质子交换膜、催化层与扩散层3个部分组成所谓的“三合一结构”。PEMFC的性能由MEA决定，而MEA的性能质子交换膜性能，扩散层结构以及催化层材料与性能，还有MEA本身的制备工艺所决定。

膜电极是具有三合一结构的组件，它由扩散层，催化层和质子交换膜组成。扩散层为反应气体提供传质通道，还起到集流体的作用，通常采用石墨化碳纸或碳布。

膜电极MEA一般的制备过程是：在Pt／C催化剂中加入一定量溶剂、粘结剂(如PTFE)f[INation溶液，经超声波混合制成电催化剂浆料，采用喷涂或压延技术在碳纸上均匀涂上催化剂制成多孔电极。然后将电极在质子交换树脂溶液中浸渍片刻，经真空干燥，再在一定的条件下热压于电解质膜上形成MEA。其中公开的一种膜电极制备方法如下：供参考。

1.称取一定量的Pt/C催化剂，置于洁净的小烧杯中。

2.加入一定量的蒸馏水和异丙醇，在超声波清洗器中，超声振荡一定时间。

3.之后滴加一定量5%质量浓度的Nafion溶液，继续超声一定时间。

4.将超声后的悬浮液置于烘箱中，在一定温度下干燥一定时间至悬浮液成膏状。

5.将膏状物均匀涂覆于碳纸表面，之后在涂覆好的催化剂表面涂刷一定量的Nafion溶液，置于烘箱中干燥30min。

6.将两片涂有催化剂的碳纸与质子交换膜置于热压机模具中，在一定温度和压力下热压成型。

7.将成型的膜电极置于湿润环境中备用。

关于燃料电池（氢能源燃料电池）在技术上，国内外取得了巨大突破，但是质子交换膜燃料电池要实现的实现商业化必须降低电池材料及部件的成本。还必须在高性能Pt／C催化剂的制备、膜电极的制备上进行深入研究。

催化剂：Pt/C是目前主流，超低铂、无铂是未来方向。

目前燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C，由纳米级的Pt颗粒(3~5nm)和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成。目前的技术水平下，催化层中的铂载量约为1g/kW。

质子交换膜燃料电池商业化进程中的主要阻碍之一，就是贵金属催化剂价格高昂，鉴于此催化层的铂载量已大幅下降，超低铂或无铂是未来研究重点。

气体扩散层：规模化生产是降成本重点。

气体扩散层位于流畅和催化层之间，主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道，并支撑催化剂。因此，扩散层基底材料的性能将直接影响燃料电池的电池性能——气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

通常气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料大多是憎水处理过的多孔碳纸或碳布，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成，作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配，有利于增强导电性，提高电极性能。

选择性能优良的气体扩散层基材能直接改善燃料电池的工作性能。性能优异的扩散层基材应满足以下要求：(1)低电阻率；(2)高孔隙度和一定范围内的孔径分布；(3)一定的机械强度；(4)良好的化学稳定性和导热性能；(5)较高的性价比。

由于炭材料的孔隙度较高，孔径可调，常常被用作制备气体扩散层，主要有炭纸、碳纤维布、无纺布和炭黑纸，此外，也有的利用泡沫金属、金属 等来制备。工艺方面，气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可分为两种：湿法和干法。湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙，能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小，有利于加工成满足实际需求的炭纸。