质子交换膜燃料电池核心组件分析

聂鑫鑫 郭朋彦 张瑞珠 徐达 邱志锋

摘 要：膜电极和双极板是影响质子交换膜燃料电池性能的关键组件，也是质子交换膜燃料电池实现商業化的必要条件。文章对质子交换膜燃料电池的工作原理、结构进行了分析，重点对质子交换膜燃料电池的膜电极、双极板等几大关键部件进行了讨论。

关键词：质子交换膜燃料电池；膜电极；双极板

中图分类号：TM911.4 文献标识码：A 文章编号：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

燃料电池是将燃料中的化学能经过电化学反应直接转化为电能的发电装置，此过程不受卡诺循环限制，能量转化效率高，且环境友好，较传统发电方式CO2的排放量少 [1]。正是由于这些突出的优点，燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

根据电解质的不同，燃料电池可分为[2]：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。其中质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、功率密度高、低温启动性好、无污染等优点，是目前最有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源[3]，所以，质子交换膜燃料电池是近年来研究重点和热点。目前困扰质子交换膜燃料电池商业化进程的主要问题是成本和寿命，膜电极和双极板是燃料电池的两大核心部件，直接决定着燃料电池的成本与寿命。本文对质子交换膜燃料电池的工作原理、结构进行了分析，重点讨论了质子交换膜燃料电池的膜电极各组件、双极板等关键部件。

1 质子交换膜燃料电池

燃料电池与原电池或二次电池的发电原理相似，还原剂与氧化剂在电池的阳极和阴极通过电化学反应分别失去电子和生成离子，电子通过外电路从阳极流向阴极；氢氧质子交换膜燃料电池的工作原理如图1所示。燃料电池的工作方式与内燃机类似[4]，从外部分别输入燃料、空气即可获得（电）动力。

质子交换膜单体燃料电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件，多片单体电池依次串联叠加后，在两端加上供气/氢等接口即构成燃料电池电堆，如图2所示。电堆加上供气/氢系统、水/热管理系统、（电）控制系统、探测器等附件即构成燃料电池发动机。

2 膜电极组件（MEA）

膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA）是燃料电池的核心部件，包括质子交换膜（PEM）、催化层（CL）、扩散层（GDL）等，结构如图3所示[4]。

2.1 质子交换膜

质子交换膜是一种固体电解质膜，其作用是将燃料和氧化剂进行隔离并传导质子。质子交换膜作为质子交换膜燃料电池的核心部件，要求其必须具有较高的质子传导率和良好的化学与机械稳定性。目前已经开发的各种用于燃料电池的质子交换膜主要包括：全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜、高温膜以及碱性膜和全陶瓷质子交换膜[5]。其中全氟磺酸膜由于其电导率高、质子传导电阻小以及良好的化学稳定性和机械强度，成为目前商业化程度较高的一种质子交换膜。

2.2 催化层

催化剂是膜电极的关键材料，其决定了质子交换膜燃料电池的放电性能和寿命。催化剂在PEMFC中的主要作用是降低化学反应的活化能，改善氢气在阳极氧化和氧气在阴极还原过程，提高电池的反应速率。PEMFC电极催化剂包括阴、阳极催化剂，对阴极催化剂的研究重点在于改善电极结构，提高催化剂的利用率；由于PEMFC对燃料气中的CO较为敏感，因此阳极应选择具有抗CO中毒能力的催化剂[6]。催化剂主要分为铂催化剂、低铂催化剂以及非铂催化剂。由于质子交换膜燃料电池的工作温度低于100℃，对催化剂活性要求较高，目前，铂催化剂是最理想、也是唯一进行商业化的催化剂。

2.3 扩散层

扩散层作为膜电极组件之一，是反应物和反应产物的传输通道，也是电子与反应热的传输通道，扩散层应具有良好的透气性、导电导热性及亲水疏水性；气体扩散层在燃料电池的水管理中有着非常重要的作用。燃料电池扩散层一般是由支撑层和微孔层组成，在膜电极中起到支撑催化层和稳定电极结构的作用；支撑层主要由经过憎水处理的多孔碳纤维纸或碳纤维布组成，微孔层则是由导电炭黑及憎水剂组成，以保持反应物和产物的良好传递和减小电池的欧姆压降，从而提高电极性能。

3 双极板

双极板是PEMFC的另一关键组件，其在燃料电池中起到传导电子、分配燃料和氧化剂的功能，同时对PEMFC的水管理、热管理也有着较大的影响；其材料性能的优劣直接决定了PEMFC的输出功率和寿命。双极板的功能决定了制造双极板的材料应具有较高的导电性、热的良导体，且双极板上流道应为反应气体提供良好的传输通道，以使反应气体均匀地传输到各个部位，同时还可更好地将反应产物——水排出电池。目前，PEMFC中广泛采用的双极板材料主要是石墨双极板、复合双极板以及金属双极板。

双极板中的流道形式对PEMFC性能有着较大的影响。流道的主要作用是为燃料和氧化剂提供传输通道并确保能够均匀的输送到电极各处，同时也能及时将反应产物排出电池，流道截面由矩形、梯形、三角形、半圆形等形式[3]，流道形式有回形、蛇形、交指形等，且空气和氢气分别从相反的方向流入电池，其常见的结构如图4所示。

4 结语

质子交换膜燃料电池材料与性能研究和发展对于降低PEMFC成本、提高电池性能、推动商业化进程具有积极的作用。本文对质子交换膜燃料电池的工作原理、结构进行了介绍，重点对质子交换膜燃料电池的膜电极、双极板等几大核心部件进行了分析。对我国质子交换膜燃料电池的研究和发展具有一定的促进作用。

参考文献

[1] 郭朋彦，周鹏.燃料电池客车产业化现状与展望[J].汽车实用技术，2017（18）：257-258.

[2] YiBaolian（衣宝廉）.Fuel Cells-Principle， Technologies and Appli cations （燃料電池--原理·技术·应用）[M].Beijing：Chemical Indus -try Press， 2003.

[3] 陈磊，郭朋彦，张瑞珠，严大考.质子交换膜燃料电池流道尺寸对电池性能的影响[J].河南科技，2018（01）：141-142.

[4] 侯明，衣宝廉.燃料电池的关键技术[J].科技导报，2016，34（06）：52 -61.

[5] 刘志祥，钱伟，郭建伟，张杰，王诚，毛宗强.质子交换膜燃料电池材料[J].化学进展，2011，23（Z1）：487-500.

[6] 丁刚强，罗志平，潘牧，杨绍军.质子交换膜燃料电池核心组件研究进展[J].电池工业，2004（06）：305-310.