1.4 质子交换膜燃料电池基本结构

1.4.1 单电池基本结构

图1-2所示为质子交换膜燃料电池基本结构，单个质子交换膜燃料电池主要由极板（Bipolar Plate，BP）、气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）、微孔层（Micro-Porous Layer，MPL）、催化层（Catalyst Layer，CL）和质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）等部件组成。通常将气体扩散层、微孔层、催化层和膜等部件统称为膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），其中微孔层常常涂覆在气体扩散层靠近催化层的一侧，主要起到优化燃料电池水管理和改善气体扩散层与催化层接触的作用，因此有时也将气体扩散层和微孔层统称为气体扩散层。

极板在燃料电池中起到供给反应气体、排出液态水、导电、导热和为膜电极提供机械支撑的作用。在极板上设计有专门的流场结构，在一定流动阻力的约束下，将反应气体由入口尽可能均匀地分配到整个燃料电池。流场结构设计要求其能够强化通道内气体向催化层的传输，提高反应物浓度分布均匀性，同时具有较低压降以降低泵功损耗。质子交换膜燃料电池运行时产生的液态水会堵塞流道和扩散层孔隙，阻碍氧气的传输并造成传质损失，这要求流场的结构设计应具有良好的排出液态水的能力。极板固体区域与扩散层直接接触实现电子收集，需设计有足够有效的接触面积以保证良好的电子传导性。扩散层中流场通道下方的电子需在燃料电池平面方向内横向传输至极板的固体区域下方，这部分电子传导造成的欧姆损失也是流场结构设计过程中应重点考虑的问题。燃料电池电化学反应产生的热量也需传递到极板/流场后再排出燃料电池。因此极板和流场结构设计对于电池内部多个物理量（如气体浓度、电流密度、温度等）的分布均匀性具有决定性影响，进而影响电池整体性能和耐久性。极板固体部分还起到机械支撑的作用。图1-3所示为石墨极板实物，由西安交通大学陕西省氢燃料电池性能提升协同创新中心加工制造。

气体扩散层在燃料电池中主要起到传输气体和液态水、导电、导热和支撑催化层的作用。气体扩散层需具备较高的孔隙率和适宜的孔隙分布，良好的气体扩散和渗透能力，一定的疏水性，良好的导电性和导热性，同时还需有一定的刚度以支撑膜电极和一定的柔性来保证电接触良好。通常气体扩散层包括基底层和微孔层，基底层多为碳纸或碳布材料，厚度约为100～400μm。微孔层通常是碳粉层与疏水剂组成的混合物，布置在基底层靠近催化层一侧，厚度约为10～100μm，其主要作用是改善基底层与催化层之间的接触，降低二者之间的接触电阻，改善燃料电池水管理。

催化层是质子交换膜燃料电池电化学反应发生的场所，其内部结构和物理过程也最为复杂，主要由铂颗粒、碳载体和离聚物构成。催化层厚度一般为5～15μm，常常将其涂覆在质子交换膜表面，称为催化层涂覆膜（Catalyst Coated Membrane，CCM）。图1-4所示为催化层涂覆膜（CCM）实物和阴极催化层电化学反应过程，从图中可以看出催化层中的电化学反应仅发生在催化层中碳载铂、离聚物和孔构成的三相反应界面处，电化学反应界面面积大小与燃料电池活化损失和整体性能直接相关。为降低铂使用量，通常采用碳载铂结构设计将铂颗粒附着在碳载体表面以提升铂催化剂表面可利用面积，碳载体还起到传导电子的作用，离聚物则主要起到传导质子和黏结催化层各物质的作用，上述物质形成的微观孔隙构成反应气体和液态水等物质的传输通道。在质子交换膜燃料电池中，覆盖在碳载铂颗粒表面的离聚物大大增加了反应气体到电化学反应界面参与电化学反应的传质阻力[6]，显著降低燃料电池性能，尤其是阴极催化层内氧气传输过程。催化层孔隙中的液态水不仅会阻碍反应气体传输，还有可能覆盖在电化学反应界面处阻碍电化学反应发生，降低电池性能。优化催化层微观多孔结构降低“气-水-热-电”等多相热质传输阻力，并增加电化学反应界面面积是提升燃料电池性能的关键，而保证催化层在车用工况下的稳定性则是实现燃料电池长寿命的关键。

质子交换膜位于燃料电池中间位置，将燃料电池分隔为阳极侧和阴极侧，质子交换膜需具有高质子传导性、高稳定性、低气体渗透性和电子绝缘性等特性。当前广泛应用的质子交换膜基本均为全氟磺酸（Perfluorosulfonic Acid，PFSA）膜。全氟磺酸膜分为两部分：一部分是离子基团簇，含有大量的亲水的磺酸基团（-SO₃H），它既能提供游离的质子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）主链骨架通过醚键与磺酸基全氟支链相连，使膜具有良好的化学稳定性和热稳定性。在适宜的温度条件下，膜充分润湿后，膜中离子基团簇彼此连接时具有较高的质子（以水合质子形式存在）传导率，但是当膜含水量下降时，团簇收缩，通道减少，膜的电导率显著下降，直至成为绝缘体。