文档介绍：质子交换膜燃料电池的根本结构
质子交换膜燃料电池的根本结构〔一〕
如图1所示，质子交换膜燃料电池的根本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板〔又称双极板〕组成。聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电以长期稳定工作。由于这种电池是在低温条件下工作的，因此，提高催化剂的活性，防止电极催化剂中毒很重要。
以铂或铂合金作为催化剂的主要问题是本钱太高，由于Pt的价格高、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的本钱居高不下，限制了大规模的应用，需要进一步降低铂的载量。一种方法是寻找新的价格较低的非铂，非贵金属催化剂；另一种方法是改良电极结构，有效利用铂催化剂，提高Pt的利用率，减少单位面积的使用量。
以铂或铂合金作为催化剂的另一个主要问题是其毒化问题。铂催化剂因极富活性而提供了优异的性能。该催化剂对一氧化碳和硫的生成物与氧相比有较高的亲和力，这种毒化效应强烈地制约了催化剂的高度活性，并阻碍了扩展到其中的氢或氧．使得电极反响不能发生，燃料电池性能递减。假设氢由重整装置提供，那么气流中将含有一些一氧化碳，或吸入的空气因来自被污染城市而含有一氧化碳，这都会造成毒化问题的产生。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了本钱，且各个燃料电池需要单独处理。
③电极 质子交换膜燃料电池的电极是一种典型的多孔气体扩散电极，一般由气体扩散层和催化层构成。扩散层是导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层、收集电流的作用，并为电化学反响提供电子通道、气体通道和排水通道。催化层是进行电化学反响的区域，是电极的核心局部，其内部结构粗糙多孔，有足够的外表积以促进氢气和氧气的电化学反响。电极制作的好坏对电池的性能有重要影响。
扩散层一般以多孔炭纸或炭布为基底，并经聚四氟乙烯(PTFE)和炭黑处理后构成的，～。在扩散层中，被PTFE覆盖的大孔是憎水孔，未被PTFE覆盖的小孔是亲水孔。反响气体通过憎水孔传递，而产物水那么通过亲水孔排出。制备扩散层的关键是如何实现憎水孔和亲水孔的合理分布。一个好的气体扩散电极应同时具备适度的亲水性和憎水性，以保证催化剂发生作用的最正确湿化环境，同时让反响生成的水及时排除，以免电极被淹。
催化层可以分为常规憎水催化层、薄层亲水催化层和超薄催化层。早期的催化层是常规的憎水催化层，厚度超过50um，主要是将铂黑或碳载铂催化剂和PTFE微粒混合后，经丝网印刷、涂布和喷涂等方法涂覆到扩散层上并经热处理制得．催化层中的PTFE提供了气体扩散通道，而催化剂那么为电子和水的传递提供了通道。但是这种催化层质子传导能力较差，性能不高。后来，为了改良这种催化层的质子传导能力并增加催化剂、反响气体和质子交换膜三相界面的面积，又研制了薄层亲水催化层和超薄催化层。
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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。为了使电化学反响顺利进行，多孔气体扩散电极必须具备质子、电子、反响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根本性能〔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 膜电极的根本结构
MEA是PEMFC的核心局部，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，反响区必须透气。
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外表。
C．高质子传导性。催化剂必须与阳离子交换膜接触，以保证反响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外表才能提高催化反响速度，而片状金属外表积小)，难以作为电导体。因此，催化剂粒子上反响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催化剂外表自由能大，很不稳定，需要掺入一些催化剂以降低其外表自由能，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