燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的效率限制，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是未來(lái)最重要的汽車動(dòng)力裝置發(fā)展的方向。

而燃料電池單體內(nèi)部最重要的部件就是膜電極（MEA）。MEA（Membrane Electrode Assembly）又譯為膜電極，它是燃料電池發(fā)電的關(guān)鍵核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元 — 燃料電池單電池。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要將多個(gè)單電池組合成為燃料電池電堆以滿足不同大小功率輸出的需要。圖1是由膜電極與極板組成的單個(gè)燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意圖

膜電極的工作過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟：

首先，氫氣通過(guò)陽(yáng)極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陽(yáng)極，通過(guò)電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陽(yáng)極催化層，吸附在陽(yáng)極催化劑層，氫氣在催化劑鉑的催化作用下分解為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子H+，并釋放出2個(gè)電子。這一過(guò)程稱為氫的陽(yáng)極氧化過(guò)程，

陽(yáng)極上發(fā)生的反應(yīng)為：

H2=2H++2e-

在電池的另一端，氧氣或空氣通過(guò)陰極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陰極，通過(guò)電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時(shí)，氫離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過(guò)外電路也到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這一過(guò)程稱為氧的陰極還原過(guò)程，

陰極上發(fā)生的反應(yīng)為：

?O2+2H++2e-= H2O

總的化學(xué)反應(yīng)式為：

H2+?O2=H2O

與此同時(shí)，電子在外電路的連接下形成電流，通過(guò)適當(dāng)連接可以向負(fù)載輸出電能，生成的水通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排出。

MEA作為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本單元，它的設(shè)計(jì)和制備首先要遵循燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本原理和特性，并且與燃料電池最終的使用條件相結(jié)合來(lái)綜合考慮。MEA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝技術(shù)是燃料電池研究的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了燃料電池的工作性能。那么，理想的膜電極應(yīng)滿足哪些要求呢？

高性能的膜電極應(yīng)具有下列特性：

（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應(yīng)氣體順利由擴(kuò)散層到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。即最大限度發(fā)揮單位面積和單位質(zhì)量的催化劑的反應(yīng)活性。因此，氣體擴(kuò)散電極必須具備適當(dāng)?shù)氖杷?，一方面保證反應(yīng)氣體能夠順利經(jīng)過(guò)最短的通道到達(dá)催化劑，另一方面確保生成的產(chǎn)物水能夠潤(rùn)濕膜，同時(shí)多余的水可以排出防止阻塞氣體通道。

（2）形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇ΑＹ|(zhì)子交換膜燃料電池采用的是固體電解質(zhì)，磺酸根固定在離子交換膜樹(shù)脂上，不會(huì)浸入電極內(nèi)，因此必須確保反應(yīng)在電極催化層內(nèi)建立質(zhì)子通道。要達(dá)到上述目的就必須采用電極催化層的立體化技術(shù)，即采用Nafion樹(shù)脂浸漬或噴涂催化劑層，在其構(gòu)成的親水網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立一個(gè)由Nafion樹(shù)脂構(gòu)建的H＋傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。

（3）形成良好的電子通道，MEA中碳載鉑催化劑是電子的良導(dǎo)體，但是Nafion和PTFE的存在將在一定程度上影響電導(dǎo)率，在滿足離子和氣體傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上還要考慮電子傳導(dǎo)能力，綜合考慮以提高M(jìn)EA的整體性能。

（4）氣體擴(kuò)散電極應(yīng)該保證良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱性。

（5）膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，能夠很好地隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及抗水解性。

從上述分析可以看出，制備高性能的膜電極，綜合考慮選擇制備MEA的材料是關(guān)鍵。材料本身的性能與制備膜電極的工藝條件相結(jié)合才能滿足膜電極最終性能的要求。

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