1.4 質子交換膜燃料電池基本結構

1.4.1 單電池基本結構

圖1-2所示為質子交換膜燃料電池基本結構，單個質子交換膜燃料電池主要由極板（Bipolar Plate，BP）、氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）、微孔層（Micro-Porous Layer，MPL）、催化層（Catalyst Layer，CL）和質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）等部件組成。通常將氣體擴散層、微孔層、催化層和膜等部件統稱為膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA），其中微孔層常常涂覆在氣體擴散層靠近催化層的一側，主要起到優化燃料電池水管理和改善氣體擴散層與催化層接觸的作用，因此有時也將氣體擴散層和微孔層統稱為氣體擴散層。

圖1-2 質子交換膜燃料電池基本結構[4]

極板在燃料電池中起到供給反應氣體、排出液態水、導電、導熱和為膜電極提供機械支撐的作用。在極板上設計有專門的流場結構，在一定流動阻力的約束下，將反應氣體由入口盡可能均勻地分配到整個燃料電池。流場結構設計要求其能夠強化通道內氣體向催化層的傳輸，提高反應物濃度分布均勻性，同時具有較低壓降以降低泵功損耗。質子交換膜燃料電池運行時產生的液態水會堵塞流道和擴散層孔隙，阻礙氧氣的傳輸并造成傳質損失，這要求流場的結構設計應具有良好的排出液態水的能力。極板固體區域與擴散層直接接觸實現電子收集，需設計有足夠有效的接觸面積以保證良好的電子傳導性。擴散層中流場通道下方的電子需在燃料電池平面方向內橫向傳輸至極板的固體區域下方，這部分電子傳導造成的歐姆損失也是流場結構設計過程中應重點考慮的問題。燃料電池電化學反應產生的熱量也需傳遞到極板/流場后再排出燃料電池。因此極板和流場結構設計對于電池內部多個物理量（如氣體濃度、電流密度、溫度等）的分布均勻性具有決定性影響，進而影響電池整體性能和耐久性。極板固體部分還起到機械支撐的作用。圖1-3所示為石墨極板實物，由西安交通大學陜西省氫燃料電池性能提升協同創新中心加工制造。

圖1-3 石墨極板實物

氣體擴散層在燃料電池中主要起到傳輸氣體和液態水、導電、導熱和支撐催化層的作用。氣體擴散層需具備較高的孔隙率和適宜的孔隙分布，良好的氣體擴散和滲透能力，一定的疏水性，良好的導電性和導熱性，同時還需有一定的剛度以支撐膜電極和一定的柔性來保證電接觸良好。通常氣體擴散層包括基底層和微孔層，基底層多為碳紙或碳布材料，厚度約為100～400μm。微孔層通常是碳粉層與疏水劑組成的混合物，布置在基底層靠近催化層一側，厚度約為10～100μm，其主要作用是改善基底層與催化層之間的接觸，降低二者之間的接觸電阻，改善燃料電池水管理。

催化層是質子交換膜燃料電池電化學反應發生的場所，其內部結構和物理過程也最為復雜，主要由鉑顆粒、碳載體和離聚物構成。催化層厚度一般為5～15μm，常常將其涂覆在質子交換膜表面，稱為催化層涂覆膜（Catalyst Coated Membrane，CCM）。圖1-4所示為催化層涂覆膜（CCM）實物和陰極催化層電化學反應過程，從圖中可以看出催化層中的電化學反應僅發生在催化層中碳載鉑、離聚物和孔構成的三相反應界面處，電化學反應界面面積大小與燃料電池活化損失和整體性能直接相關。為降低鉑使用量，通常采用碳載鉑結構設計將鉑顆粒附著在碳載體表面以提升鉑催化劑表面可利用面積，碳載體還起到傳導電子的作用，離聚物則主要起到傳導質子和黏結催化層各物質的作用，上述物質形成的微觀孔隙構成反應氣體和液態水等物質的傳輸通道。在質子交換膜燃料電池中，覆蓋在碳載鉑顆粒表面的離聚物大大增加了反應氣體到電化學反應界面參與電化學反應的傳質阻力[6]，顯著降低燃料電池性能，尤其是陰極催化層內氧氣傳輸過程。催化層孔隙中的液態水不僅會阻礙反應氣體傳輸，還有可能覆蓋在電化學反應界面處阻礙電化學反應發生，降低電池性能。優化催化層微觀多孔結構降低“氣-水-熱-電”等多相熱質傳輸阻力，并增加電化學反應界面面積是提升燃料電池性能的關鍵，而保證催化層在車用工況下的穩定性則是實現燃料電池長壽命的關鍵。

圖1-4 催化層涂覆膜實物和陰極催化層電化學反應過程

質子交換膜位于燃料電池中間位置，將燃料電池分隔為陽極側和陰極側，質子交換膜需具有高質子傳導性、高穩定性、低氣體滲透性和電子絕緣性等特性。當前廣泛應用的質子交換膜基本均為全氟磺酸（Perfluorosulfonic Acid，PFSA）膜。全氟磺酸膜分為兩部分：一部分是離子基團簇，含有大量的親水的磺酸基團（-SO₃H），它既能提供游離的質子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）主鏈骨架通過醚鍵與磺酸基全氟支鏈相連，使膜具有良好的化學穩定性和熱穩定性。在適宜的溫度條件下，膜充分潤濕后，膜中離子基團簇彼此連接時具有較高的質子（以水合質子形式存在）傳導率，但是當膜含水量下降時，團簇收縮，通道減少，膜的電導率顯著下降，直至成為絕緣體。