質子交換膜燃料電池核心組件分析

聶鑫鑫 郭朋彥 張瑞珠 徐達 邱志鋒

摘 要：膜電極和雙極板是影響質子交換膜燃料電池性能的關鍵組件，也是質子交換膜燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的必要條件。文章對質子交換膜燃料電池的工作原理、結構進行了分析，重點對質子交換膜燃料電池的膜電極、雙極板等幾大關鍵部件進行了討論。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；膜電極；雙極板

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：A 文章編號：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能經過電化學反應直接轉化為電能的發(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，燃料電池技術被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術。

根據電解質的不同，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）以及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。其中質子交換膜燃料電池具有能量轉換效率高、功率密度高、低溫啟動性好、無污染等優(yōu)點，是目前最有希望應用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動汽車等交通工具的動力電源[3]，所以，質子交換膜燃料電池是近年來研究重點和熱點。目前困擾質子交換膜燃料電池商業(yè)化進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。本文對質子交換膜燃料電池的工作原理、結構進行了分析，重點討論了質子交換膜燃料電池的膜電極各組件、雙極板等關鍵部件。

1 質子交換膜燃料電池

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反應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燃機類似[4]，從外部分別輸入燃料、空氣即可獲得（電）動力。

質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)、探測器等附件即構成燃料電池發(fā)動機。

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，包括質子交換膜（PEM）、催化層（CL）、擴散層（GDL）等，結構如圖3所示[4]。

2.1 質子交換膜

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

2.2 催化層

催化劑是膜電極的關鍵材料，其決定了質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反應的活化能，改善氫氣在陽極氧化和氧氣在陰極還原過程，提高電池的反應速率。PEMFC電極催化劑包括陰、陽極催化劑，對陰極催化劑的研究重點在于改善電極結構，提高催化劑的利用率；由于PEMFC對燃料氣中的CO較為敏感，因此陽極應選擇具有抗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。由于質子交換膜燃料電池的工作溫度低于100℃，對催化劑活性要求較高，目前，鉑催化劑是最理想、也是唯一進行商業(yè)化的催化劑。

2.3 擴散層

擴散層作為膜電極組件之一，是反應物和反應產物的傳輸通道，也是電子與反應熱的傳輸通道，擴散層應具有良好的透氣性、導電導熱性及親水疏水性；氣體擴散層在燃料電池的水管理中有著非常重要的作用。燃料電池擴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)定電極結構的作用；支撐層主要由經過憎水處理的多孔碳纖維紙或碳纖維布組成，微孔層則是由導電炭黑及憎水劑組成，以保持反應物和產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的另一關鍵組件，其在燃料電池中起到傳導電子、分配燃料和氧化劑的功能，同時對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具有較高的導電性、熱的良導體，且雙極板上流道應為反應氣體提供良好的傳輸通道，以使反應氣體均勻地傳輸?shù)礁鱾€部位，同時還可更好地將反應產物——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、復合雙極板以及金屬雙極板。

雙極板中的流道形式對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，同時也能及時將反應產物排出電池，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，其常見的結構如圖4所示。

4 結語

質子交換膜燃料電池材料與性能研究和發(fā)展對于降低PEMFC成本、提高電池性能、推動商業(yè)化進程具有積極的作用。本文對質子交換膜燃料電池的工作原理、結構進行了介紹，重點對質子交換膜燃料電池的膜電極、雙極板等幾大核心部件進行了分析。對我國質子交換膜燃料電池的研究和發(fā)展具有一定的促進作用。

參考文獻

[1] 郭朋彥，周鵬.燃料電池客車產業(yè)化現(xiàn)狀與展望[J].汽車實用技術，2017（18）：257-258.

[2] YiBaolian（衣寶廉）.Fuel Cells-Principle， Technologies and Appli cations （燃料電池--原理·技術·應用）[M].Beijing：Chemical Indus -try Press， 2003.

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

[4] 侯明，衣寶廉.燃料電池的關鍵技術[J].科技導報，2016，34（06）：52 -61.

[5] 劉志祥，錢偉，郭建偉，張杰，王誠，毛宗強.質子交換膜燃料電池材料[J].化學進展，2011，23（Z1）：487-500.

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