聶鑫鑫 郭朋彥 張瑞珠 徐達(dá) 邱志鋒

摘 要：膜電極和雙極板是影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的關(guān)鍵組件，也是質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的必要條件。文章對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極、雙極板等幾大關(guān)鍵部件進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；膜電極；雙極板

中圖分類號(hào)：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-23-03

Abstract： Membrane electrodes and bipolar plates are key components affecting the performance of proton exchange membrane fuel cells， and are also necessary for the commercialization of proton exchange membrane fuel cells. In this paper， the working principle and structure of proton exchange membrane fuel cell are introduced. The key components such as membrane electrode and bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell are analyzed.

Keywords： proton exchange membrane fuel cell； Membrane electrodes； bipolar plates

CLC NO.： TM911.4 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-23-03

前言

燃料電池是將燃料中的化學(xué)能經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，此過程不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，且環(huán)境友好，較傳統(tǒng)發(fā)電方式CO2的排放量少 [1]。正是由于這些突出的優(yōu)點(diǎn)，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為[2]：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）以及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、低溫啟動(dòng)性好、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有希望應(yīng)用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動(dòng)汽車等交通工具的動(dòng)力電源[3]，所以，質(zhì)子交換膜燃料電池是近年來研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前困擾質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的主要問題是成本和壽命，膜電極和雙極板是燃料電池的兩大核心部件，直接決定著燃料電池的成本與壽命。本文對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極各組件、雙極板等關(guān)鍵部件。

1 質(zhì)子交換膜燃料電池

燃料電池與原電池或二次電池的發(fā)電原理相似，還原劑與氧化劑在電池的陽極和陰極通過電化學(xué)反應(yīng)分別失去電子和生成離子，電子通過外電路從陽極流向陰極；氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如圖1所示。燃料電池的工作方式與內(nèi)燃機(jī)類似[4]，從外部分別輸入燃料、空氣即可獲得（電）動(dòng)力。

質(zhì)子交換膜單體燃料電池包括膜電極組件（MEA）、雙極板及密封元件，多片單體電池依次串聯(lián)疊加后，在兩端加上供氣/氫等接口即構(gòu)成燃料電池電堆，如圖2所示。電堆加上供氣/氫系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)、（電）控制系統(tǒng)、探測器等附件即構(gòu)成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 膜電極組件（MEA）

膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）是燃料電池的核心部件，包括質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層（CL）、擴(kuò)散層（GDL）等，結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

2.1 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是一種固體電解質(zhì)膜，其作用是將燃料和氧化劑進(jìn)行隔離并傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子交換膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，要求其必須具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和良好的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性。目前已經(jīng)開發(fā)的各種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜主要包括：全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無氟化質(zhì)子交換膜、復(fù)合膜、高溫膜以及堿性膜和全陶瓷質(zhì)子交換膜[5]。其中全氟磺酸膜由于其電導(dǎo)率高、質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，成為目前商業(yè)化程度較高的一種質(zhì)子交換膜。

2.2 催化層

催化劑是膜電極的關(guān)鍵材料，其決定了質(zhì)子交換膜燃料電池的放電性能和壽命。催化劑在PEMFC中的主要作用是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，改善氫氣在陽極氧化和氧氣在陰極還原過程，提高電池的反應(yīng)速率。PEMFC電極催化劑包括陰、陽極催化劑，對(duì)陰極催化劑的研究重點(diǎn)在于改善電極結(jié)構(gòu)，提高催化劑的利用率；由于PEMFC對(duì)燃料氣中的CO較為敏感，因此陽極應(yīng)選擇具有抗CO中毒能力的催化劑[6]。催化劑主要分為鉑催化劑、低鉑催化劑以及非鉑催化劑。由于質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度低于100℃，對(duì)催化劑活性要求較高，目前，鉑催化劑是最理想、也是唯一進(jìn)行商業(yè)化的催化劑。

2.3 擴(kuò)散層

擴(kuò)散層作為膜電極組件之一，是反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸通道，也是電子與反應(yīng)熱的傳輸通道，擴(kuò)散層應(yīng)具有良好的透氣性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性及親水疏水性；氣體擴(kuò)散層在燃料電池的水管理中有著非常重要的作用。燃料電池?cái)U(kuò)散層一般是由支撐層和微孔層組成，在膜電極中起到支撐催化層和穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用；支撐層主要由經(jīng)過憎水處理的多孔碳纖維紙或碳纖維布組成，微孔層則是由導(dǎo)電炭黑及憎水劑組成，以保持反應(yīng)物和產(chǎn)物的良好傳遞和減小電池的歐姆壓降，從而提高電極性能。

3 雙極板

雙極板是PEMFC的另一關(guān)鍵組件，其在燃料電池中起到傳導(dǎo)電子、分配燃料和氧化劑的功能，同時(shí)對(duì)PEMFC的水管理、熱管理也有著較大的影響；其材料性能的優(yōu)劣直接決定了PEMFC的輸出功率和壽命。雙極板的功能決定了制造雙極板的材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性、熱的良導(dǎo)體，且雙極板上流道應(yīng)為反應(yīng)氣體提供良好的傳輸通道，以使反應(yīng)氣體均勻地傳輸?shù)礁鱾€(gè)部位，同時(shí)還可更好地將反應(yīng)產(chǎn)物——水排出電池。目前，PEMFC中廣泛采用的雙極板材料主要是石墨雙極板、復(fù)合雙極板以及金屬雙極板。

雙極板中的流道形式對(duì)PEMFC性能有著較大的影響。流道的主要作用是為燃料和氧化劑提供傳輸通道并確保能夠均勻的輸送到電極各處，同時(shí)也能及時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)物排出電池，流道截面由矩形、梯形、三角形、半圓形等形式[3]，流道形式有回形、蛇形、交指形等，且空氣和氫氣分別從相反的方向流入電池，其常見的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 結(jié)語

質(zhì)子交換膜燃料電池材料與性能研究和發(fā)展對(duì)于降低PEMFC成本、提高電池性能、推動(dòng)商業(yè)化進(jìn)程具有積極的作用。本文對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極、雙極板等幾大核心部件進(jìn)行了分析。對(duì)我國質(zhì)子交換膜燃料電池的研究和發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳磊，郭朋彥，張瑞珠，嚴(yán)大考.質(zhì)子交換膜燃料電池流道尺寸對(duì)電池性能的影響[J].河南科技，2018（01）：141-142.

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[6] 丁剛強(qiáng)，羅志平，潘牧，楊紹軍.質(zhì)子交換膜燃料電池核心組件研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2004（06）：305-310.