探索氢燃料电池的奥妙

我们就以结构最简单的质子交换膜氢燃料单体电池为例对发生电化学反应的场所结构进行说明：

单体电池结构示意

英文释义：

Anode：阳极（从示意图看出是一个组合体的总称，包含CL、GDL、FP)

Cathode:阴极（组合体同上）

FP：流场板（两块结合在一起形成双极板，中空有流道，走冷却介质）

Channel：流道（供反应物氢气/氧气在里面均匀流动）

GDL：气体扩散层（一般为碳纸或者碳布）

PEM：质子交换膜（一层透明的东西，下面详解）

H2：氢气（燃料）

O2：氧气（反应物，一般由空气直供就好，有效成分氧气参与反应，剩余瓶氧气排出）

H2O：水（属于电化学反应生成物，和反应物贫氧气一个流道排出）

一、PEM（质子交换膜）

质子交换膜

作用：传导质子（H+)的作用、分隔反应物（阻隔反应物通过）、电子绝缘（阻隔电子e-通过）。

分类：全氟磺酸型质子交换膜；nafion重铸膜；非氟聚合物质子交换膜；新型复合质子交换膜等。补充说明：采用纳米无机复合离子添加有扩展出高温、低增湿、自增湿等类型的膜。

主要表征物性的参数：

厚度：（几~几十微米级）、

重量：（g/m2）、长*宽、

电导率：mS/cm（分长向和纵向，和下面EW值以及IEC值相关）

EW：1摩尔磺酸基含有的质量；IEC：1g质量的膜含有多少磺酸基，与EW互为倒数

机械强度、耐久性等（和EW值、厚度等相关）。

反应气体的渗透系数：一般膜的渗透系数<10-8cm2/s-1

抗H2O2（双氧水）的能力

二、GDL（气体扩散层）

宏观和微观下的扩散层结构

作用：支撑膜电极和为电子、反应物及产物的多相传质提供传输通道（排出电化学反应物、进行热和电的传导、传输反应介质等）。另扩散层需要发挥平衡电极表面存在适量水分的

作用。

分类：以基材层分为碳纸、碳布、碳毡（无论哪种方式都要经过2000度以上的温度进行碳化（石墨化），再在表层涂布MPL（微孔层）。

气体扩散层类型

性能表征参数：厚度、比重、压缩回弹、厚度、孔隙率、PTFE含量（决定其疏水性或亲水性）、电导率特性、热导率特性和气体扩散特性。

三、CL（催化剂+载体）

催化剂+载体

作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；导电性好，载体耐蚀，催化活性大，降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。

分类：Pt-C（碳铂催化剂），Pt-M催化剂。Pt核壳催化剂、Pt单原子层催化剂。非贵金属催化剂

性能表征参数：铂载量（mg/cm2)、耐久性、抗CO中毒的性能等。

四、MEA（膜电极）

MEA模组

说明：

在实际工程中一般都是以上几部分三合一产品或者五合一产品，组合成一个MEA的模组，叫做膜电极。三合一：就是催化层—质子交换膜—催化层三者集合；五合一就是扩散层—催化层—质子交换膜—催化层—扩散层五者结合。（结合工艺有多种方式，因为是浅阅读科普，这里不做探讨）

模组MEA主要参数：

功率密度：W/cm2；电流密度：mA/cm2

铂载量：mg/cm2；g/KW，

厚度、机械强度、寿命（h）、

其他以上一、二、三项中的参数也需要在MEA性能上体现。

五、BP（流场板、双极板）

双极板（BP流场板）

作用：传导电子、分配反应气并带走生成水，是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；要求双极板在燃料电池酸性（pH=2~3）、电位(E=~1.1 V)、湿热（气水两相流，~80℃）环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性；产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。

分类：分为金属和石墨两大技术路线。（至于复合板也是基于这个本质）

双极板分类

性能表征参数：

主要性能参数

结语：以上是从氢燃料电池单体的结构上进行了拆分和简单的功能说明。单体仅是实际使用的氢燃料电池电堆的一个电化学反应单元，实际使用需要多个单元串联集成，同时也需要其他辅助系统。本文仅供浅阅读科普阅读。有深度沟通的请单独留言联系 ！

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：探索氢燃料电池的奥妙