质子交换膜燃料电池的基本结构（二）

【陆地方舟电动汽车网ddc.】④膜电极 膜电极( membrane electrode assembly,MEA)是通过热压将阴极、阳极（气体扩散电极）与质子交换膜复合在一起而形成的．上面讨论的质子交换膜和催化剂就包括在膜电极中，除此以外，还包括阴阳极的扩散层。其结构如图2所示。为了使电化学反应顺利进行，多孔气体扩散电极必须具备质子、电子、反应气体和水的连续通道。组成MEA的电极材料，电极的制作工艺与方法等决定了其基本性能（膜电极性能不仅依赖于电催化剂活性，还与电极中四种通道的构成及各种成分的配比、电极孔分布与孔隙率、电导等因素密切相关。另外，MEA中贵金属Pt的用量也与电极的制作方法有直接的关系。

 

图2 膜电极的基本结构

MEA是PEMFC的核心部分，是影响PEMFC性能、能量密度分布和工作寿命的关键因素。理想的电极结构必须满足以下条件。

a．高气体渗透性，反应区必须透气。

b．催化剂分布均匀，与气体分子接触良好。气体所到之处需要有催化剂粒子，即催化剂必须分布在能接触到气体分子的表面。

C．高质子传导性。催化剂必须与阳离子交换膜接触，以保证反应产生离子的顺利通过。

d．高导电性。为有利于电子转移，作为催化剂载体的炭黑导电性要高，因催化剂不能连成片(必须有很大的催化活性表面才能提高催化反应速度，而片状金属表面积小)，难以作为电导体。因此，催化剂粒子上反应产生或需要的电子必须通过导电性物质与电极沟通。

e．催化剂的稳定性要好。高分散、细颗粒的Pt催化剂表面自由能大，很不稳定，需要掺入一些催化剂以降低其表面自由能，或者掺入少量含有能与催化剂形成化学键或弱结合力元素的物质。

⑤双极板与流场  双极性集流板简称为双极板，又称集流板，放置在膜电极的两侧，分别称为阳极集流板和阴板集流板，是电池的重要部件之一，其作用是阻隔和传送燃料与氧化剂，收集和传导电流，导热，将各个单电池串联起来并通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。对双极板的设计要求是：具有良好的导电和导热能力，良好的气体阻隔能力，良好的力学性能，耐腐蚀以及低成本，适于大规模生产等。低成本材料对于大规模的汽车应用尤其重要。然而，即使采用无孔碳板作为极板的原材料，双极板的加工成本依然较高。

双极板主要有石墨集流板、金属双极板、复合型双极板等几种类型。双极板面向电极的表面刻有用于燃料和氧气（空气）流动的沟槽。双极板中间的沟槽是冷却水的通道，用来带走反应生成的余热量，

目前，制作双极板的材料通常采用的材料是碳质材料（石墨）、金属材料（表面改性的金属）及金属与碳质的复合材料（炭黑一聚合物合成材料）。目前，质子交换膜燃料电池广泛采用的双极板是石墨板和金属板。石墨双极板有纯石墨双极板和模铸石墨双极板两种形式。纯石墨双极板的制备工艺复杂，价格昂贵，不适于规模生产。为降低成本，改进加工性能，开发出了模铸石墨双极板。模铸石墨双极板制备简单，但模铸双极板的导电性不如纯石墨板，黏结材料的降解还可能影响双极板的寿命，并且在加工细流道和脱模过程中也存在困难。金属双极板的优点是适于规模生产，而且成本较低。但金属双极板需要解决的关键问题是提高它的耐腐蚀能力。为改善其在电池工作条件下的抗腐蚀性能，可以采用经表面改性的金属材料（如钛、不锈钢和Ni基合金等）制备（防止金属双极板发生腐蚀的方法包括改变合金的组成与制备工艺、表面改性等。金属材料的表面改性是非常有效的手段，改性的方法包括电镀或化学镀贵金属或导电化合物、采用焙烧等方法制备导电复合氧化物层等。

PEMFC的流场板一般是指按一定间隔开槽的石墨板，开的槽子就是流道，在槽子之间形成流道间隔。流场的作用是引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极各处，并经扩散层到达催化层进行电化学反应。在常见的质子交换膜燃料电池中，有的流场板与双极板是分体的，如网状流场板等；有的流场板与双极板是一体的，如点状流场和部分蛇形流场板等，与双极板一体的流场除了具有上述流场板的功能以外，还要兼顾双极板的作用。为提高电池反应气体的利用率，通常排放尾气越少越好，流场设计得好坏直接影响电池尾气的排放量。

目前所采用的流场结构包括点状流场、网状流场、平行流场、蛇形流场、多孔流场和交指形流场结构，其结构如图3所示。平行流场和蛇形流场都具有良好的供气和排水能力，是目前常用的流场结构。交指形流场反应气体从入孔进入末端封死的流场通道，迫使气体在压力差的作用下经强制对流通过电极内部到达流道出口段，使反应气体到达催化层表面的距离缩短，传质加快，反应速率提高．此外，气体流动的剪切应力易将阴极中聚集的由于电迁移和电化学反应生成液态水带出电极，减少了阴极水淹现象，从而大大提高质子交换膜燃料电池性能。但是这种流场在确保反应气体均匀分配方面还存在着问题，且这种流场需要较大的压力降，增加了额外的功率损耗．点状流场、网状流场和多孔流场因反应气体传输和排水能力较差而应用不多。

 

图3 质子交换膜燃料电池的流场结构