质子交换膜燃料电池PEMFC的组成及原理

质子交换膜燃料电池PEMFC的组成及原理

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种采用可传导质子的聚合膜作为电解质，将存在于燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。本文将详细介绍PEMFC的核心组成部分及其工作原理。

PEMFC的组成

PEMFC的核心组成部分主要包括阳极、阴极和质子交换膜，同时还包括气体扩散层、催化剂层、双极板（又称集流板）等关键部件。

① 质子交换膜(PEM)

PEM是一种厚度仅为50~180um的固态聚合物隔膜，它兼具隔膜和电解质的作用，不但为质子传递提供通道，也能隔绝电子、隔离阳极的燃料与阴极的氧化剂。

PEM只容许氢离子(氢质子)通过，不容许氢分子及其他离子通过，其性能好坏将直接影响电池的性能和寿命。随着燃料电池技术以及材料科学的发展，PEM的种类逐渐多元化，按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及无氟质子交换膜。

② 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，通常由催化剂层、电解质和气体扩散层组成。

电极的阳极是氢气与催化剂的反应区域（氢的氧化反应HOR），阴极是氧气与催化剂的反应区域（氧还原反应ORR）。

③催化剂层

为了加快电化学反应速度，燃料电池的催化剂层中含有高活性的催化剂，通常为Pt/C（铂/碳），这是一种将铂的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂。

铂作为稀有金属价格昂贵，PEMFC对铂基催化剂的依赖是其商业化进程缓慢的原因之一。此外，铂基催化剂还存在催化性能下降等问题。为了降低催化剂的成本、提高催化剂的稳定性，低铂催化剂（如铂基合金催化剂）甚至非铂催化剂（如非贵金属催化剂和非金属催化剂）的开发成为了未来发展趋势。

④ 气体扩散层

气体扩散层(GDL)由基底层和微孔层构成。GDL的作用是气体传输分配、电子传导、支撑催化层以及参与水管理，它实现了反应气体和产物水在催化层和双极板的流场之间的分配和转移。GDL的水管理是PEMFC研究的一大重点，它需要排除多余水的同时保持正常反应所需的相对湿度。

综上，燃料电池对GDL有着较多的要求：如孔隙结构均匀，透气性好；电阻率低，电子传导能力强；机械强度高且柔韧性好；亲水/疏水性合理；化学稳定性与热稳定性好。

⑤ 膜电极

膜电极(MEA)是通过热压将阴极、阳极（包括气体扩散层和催化层）与质子交换膜复合在一起形成的结构。膜电极与双极板直接组成燃料电池电堆。

⑥双极板

双极板又叫双极性集流板/集流板，它放置在膜电极的两侧，作用是分隔反应气体、通过流场将反应气体导入燃料电池中、收集并传导电流、散热、排水以及支撑膜电极。

双极板需要具备良好的导电导热能力、阻隔气体的能力以及耐腐蚀性。

PEMFC的工作原理

①氢气供应与阳极反应

氢气通过加湿后，进入阳极室，并经过电极扩散层到达催化层和质子交换膜的界面。在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化反应，被分解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外部电路流动，形成电流。

②氧气供应与阴极反应

氧气（通常来自空气）通过阴极进入反应区域，并经过电极扩散层到达催化层和质子交换膜的界面。在阴极催化剂的作用下，氧气与从阳极传递过来的氢离子和电子发生还原反应，生成水。生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反应气体从阴极室排出。

③电流的产生与利用

电子从阳极通过外部电路流动到阴极的过程中，形成了电流。该电流可以用来驱动各种电子设备或做功。PEMFC的排放物仅为水，不会产生有害气体排放。

PEMFC具有快速启动、高效率、高能量密度、无污染排放等优点，其在交通工具、便携式电子设备和住宅能源系统等领域具有广泛的应用前景。

同时，PEMFC的商业化仍面临诸多挑战，如质子交换膜的寿命和稳定性有待提高，使用贵金属催化剂面临着成本难以削减的挑战，氢气的储存和运输问题也需要解决。未来，随着技术不断进步和政策的推动，相信PEMFC将在能源领域发挥越来越重要的作用。