燃料电池膜电极（MEA）

燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，燃料电池发动机被认为是未来最重要的汽车动力装置发展的方向。而燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（MEA）。MEA（Membrane Electrode Assembly）又译为膜电极，它是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元 — 燃料电池单电池。在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。图1是由膜电极与极板组成的单个燃料电池的结构示意图。

图1 燃料电池单体结构示意图

 

膜电极的工作过程可以分为以下几个步骤：

 

首先，氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极，通过电极上的扩散层到达阳极催化层，吸附在阳极催化剂层，氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子，即质子H+，并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程，

 

阳极上发生的反应为：

 

H2=2H++2e

 

在电池的另一端，氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极，通过电极上的扩散层到达阴极催化层，吸附在阴极催化层，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水，这一过程称为氧的阴极还原过程，

 

阴极上发生的反应为：

 

1/2O2+2H++2e = H2O

 

总的化学反应式为：

 

H2+1/2O2=H2O

 

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能，生成的水通过电极随反应尾气排出。

 

MEA作为燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性，并且与燃料电池最终的使用条件相结合来综合考虑。MEA的结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术，它决定了燃料电池的工作性能。那么，理想的膜电极应满足哪些要求呢？