一文让你看懂膜电极参数检测的意义

背景

近年，氢能概念异常火爆，氢能社会已不再是未来，氢燃料电池也越来越被公众所耳熟能详，但真正了解氢燃料电池核心零部件——膜电极的却寥寥无几。

膜电极到底是什么？表征膜电极的品质的参数有哪些？每种参数代表了燃料电池的何种特性？检测这些参数对燃料电池的使用具有哪些意义？这些问题你真的知道么？

这篇文章帮你彻底认识膜电极参数，掌握读懂燃料电池性能变化的关键密码。

膜电极是什么？

目前人们常提到的氢能电池或者氢燃料电池在专业领域被称为质子交换膜燃料电池（PEMFC）。看名字就知道，质子交换膜是燃料电池中的关键零件，但通常它并不会单独存在于燃料电池当中，而是与催化剂层、气体扩散层等组成多层的整体组件在燃料电池中发挥作用，这个整体组件就是我们所说的膜电极（MEA）。

膜电极是氢、氧发生电化学反应的重要场所，是质子和电子的传输媒介，也是气体和水的进出通道。单片氢燃料电池通常由膜电极、双极板、密封圈和端板等部件组成，而多个单片电池串联压装后组成燃料电池堆。

如果说电堆是燃料电池系统的核心，那么膜电极就是核心中的核心。膜电极本身的品质直接决定了燃料电池乃至整个系统的性能和寿命。

那么问题来了，哪些参数可以表征膜电极的品质？每种参数代表了燃料电池的何种特性？检测膜电极的这些参数对燃料电池的使用具有哪些意义？这篇文章帮你彻底认识膜电极参数，读懂燃料电池发电性能发生变化的底层逻辑。

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膜电极参数有哪些？有什么意义？

膜电极作为燃料电池的一个关键组件，其固有的物理参数，如质子交换膜厚度、催化剂载量、气体扩散层孔隙率等，都不同程度地决定着燃料电池的发电能力。

这些物理参数在膜电极设计之初就已经被厂家确定，并严格依照这些物理参数进行膜电极的制备。

但由于各电堆制造厂商在电堆压装过程中的工艺不同，以及电堆的运行工况也不相同，导致膜电极的物理参数在压装后和使用过程中都出现不同程度的变化，并且这些参数在成堆后难以被直接测量出来，从而难以通过物理参数来评估堆内膜电极的品质。

相较于物理参数，膜电极的电化学参数则可以在成堆后被无损地检测，更能直观地表征膜电极的品质与状态。目前，常用的膜电极电化学参数包括氢渗电流密度、催化剂活性面积、双电层电容、欧姆阻抗和短路电阻。

氢渗电流密度

氢渗电流密度表征氢气从阳极到阴极的渗透强度。

燃料电池工作时，阳极和阴极之间存在氢气的浓度梯度，在浓度梯度的作用下，阳极的氢气会以分子的形式透过膜电极渗透到阴极。

这样的渗透会对燃料电池造成诸多不利影响：首先，渗透到阴极的氢气会在阴极区域直接被氧化却没有对外发电，造成了燃料利用率的降低；更严重的是，渗透到阴极的氢气发生氧化反应放热，会在该区域产生局部的热点，从而加快质子交换膜的降解，缩短燃料电池的寿命，危及燃料电池的使用安全。

对于良品膜电极来说，其氢渗电流会维持在较低水平，而次品膜电极或老化的膜电极，其质子交换膜可能会出现裂纹、穿孔等现象，这将导致氢渗电流密度的显著增加。

因此，氢渗电流密度实际上表征了质子交换膜的致密程度，检测膜电极的氢渗电流密度，可以直观、有效地衡量膜电极中质子交换膜的品质或者老化程度，对判别燃料电池故障原因、预估燃料电池的老化状态、保证燃料电池的使用安全具有重要意义。

电子显微镜下的膜裂纹、穿孔形态^{[1, 2, 3]}

催化剂活性面积

催化剂活性面积，又称催化剂有效活性面积，即膜电极搭载的催化剂中真正起到催化作用的那部分催化剂的比表面积，表征了膜电极催化剂的活性点位的多少。

随着燃料电池的使用，膜电极上的催化剂颗粒会逐渐发生团聚，造成催化剂活性面积的不断减小，催化能力逐渐下降，使得燃料电池的发电性能受到影响。

可以看出，催化剂活性面积代表着膜电极上催化剂的实际催化能力。检测催化剂活性面积不仅可以评估催化剂涂敷的均匀程度，还可以准确的衡量催化剂老化的进程，对燃料电池的性能评价和寿命评估有着重要意义。

电子显微镜下膜电极上Pt催化剂分布状态及粒径的演变（新膜电极vs.使用后的膜电极）^[4]

双电层电容

在膜电极阴、阳极催化剂和质子交换膜的界面上，由于电荷极性分布而形成了双电层结构。双电层电容就是指该双电层结构所具有的电容值。

双电层电容表征了膜电极催化层的界面功能状态。燃料电池使用过程中其双电层的充放电过程属于非法拉第反应，与催化剂的活性点位无关，但可以间接表征催化剂载体碳的粒径大小从而判断催化剂或者碳载体的形貌改变，并以此评估催化剂涂敷质量和老化程度。

欧姆阻抗

欧姆阻抗即燃料电池工作时的内阻，表征了燃料电池中离子阻抗和各部件接触电阻之和。欧姆阻抗的存在会造成燃料电池输出电压的下降，影响燃料电池的输出性能。

膜电极各组件间的接触不良，比如说质子交换膜与催化剂层、催化剂层与气体扩散层之间的分层等都会造成欧姆阻抗升高。

此外，质子交换膜的增湿不够也将导致膜内离子传导性能的下降，造成欧姆阻抗的升高。

因此，通过对膜电极欧姆阻抗的测量，不仅可以有效地判别膜电极各组件间的接触状态，也可以检测质子交换膜的水含量，对评估电堆的组装质量和电堆的运行状态有着至关重要的意义。

电子显微镜下膜电极的质子交换膜与催化剂层之间发生的分层现象^{[5, 6]}

短路电阻

短路电阻表征了膜电极对电子流动的阻力，主要代表着质子交换膜的电子绝缘性。

良好增湿的质子交换膜是离子的传递通道，同时起到隔绝气体和阻挡电子移动的作用。

短路电阻过低，就意味着燃料电池内部可能发生了内部微短路，这对电池的性能、寿命和安全性将造成恶劣影响。

随着燃料电池的使用，膜电极逐渐老化，其中的质子交换膜会逐渐变薄，甚至发生穿孔和破裂等极端情况，这会使膜两侧的催化剂层或者气体扩散层等发生接触，造成局部内短路。

在大电流作用下，这些区域将产生热点，进一步分解质子交换膜，造成不可挽回的恶劣后果。

通过检测膜电极的短路电阻，可以获悉质子交换膜的使用状态，有效预判或者规避膜电极内短路的发生，从而保证燃料电池的安全使用。

膜电极短路位点的虚拟平面图（黄色明亮区域为短路位点），右侧为短路位点处的横截面电镜实拍图，显示该处发生了膜变薄、裂纹等改变^[1]

以上列举的电化学参数只是众多膜电极参数中最具代表性的几种，它们从不同角度表征着膜电极（包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层）的品质和性能。

这些参数之间相互联系，相互影响，通过这些参数，我们有效地了解电堆内膜电极的运行状态，有效地规避风险，最终保障燃料电池的高性能、长寿命的使用。

下一期，我们将为大家汇总介绍膜电极参数的常用检测方法，敬请期待！

参考文献

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公司介绍

氢华新源孵化于清华大学车辆与运载学院汽车安全与节能国家重点实验室，是氢能社会愿景下聚焦于燃料电池寿命全生命周期管理的高科技企业。氢华新源团队核心成员均来自清华大学，在氢能与燃料电池领域具有丰富的研发和产品经验。氢华新源依托十余年燃料电池相关核心技术积累，自主研发了燃料电池电堆膜电极多参数检测设备、电堆气体分配检测设备和车载故障诊断智能终端，并在此基础上建设燃料电池全生命周期精细化数据平台，面向燃料电池全产业链提供研发支持、数据挖掘及检测服务，从生产研发端、应用过程端和故障维修端为燃料电池保驾护航，解决燃料电池寿命痛点，推动燃料电池行业更高质量发展。

联系方式

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原文始发于微信公众号（氢华新源）：一文让你看懂膜电极参数检测的意义

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