2.1 电极过程

氢燃料电池是一种电化学装置，其单体电池由正、负两个电极和电解质组成。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是催化转换元件。从能量角度看，燃料电池的功能是将外部能量充给电池，使其再发电，实现反复使用，它的容量由电极的大小与重量决定。燃料电池运转过程中，通过泵、管道等系统零部件将贮存在电池外部“储氢瓶”中的氢燃料供给电极，并在电极上发生电化学反应，同时输出电能。在此过程中，燃料电池电极不会发生明显的变化。理论上讲，只要不断向燃料电池提供氢气（阳极反应物）和氧化剂（阴极反应物，如空气、O ₂ ），就可以连续不断地发电，但实际上，由于电极元件老化衰减等原因，燃料电池的寿命是有限的。

氢燃料电池的发电原理可以简单概括为氧气和氢气发生电化学反应生成水，反应过程中将储存在氢中的化学能转化为电能，同时释放热量。氢氧反应被拆分为两个半电极反应，见式（2-1）和式（2-2）。

阳极：

阴极：

氢气进入电池内部后，在催化剂的作用下解离成电子和质子，电子通过外电路流向氧气侧，形成电流并对外做电功，质子则通过电池内部质子导体流向氧气侧。氧气侧的氧气进入电池后，将在催化剂作用下结合氢气侧传导过来的电子和质子生成水并释放大量热。由于氢气侧为失电子氧化反应，因此对电池而言为阳极，而氧气侧为得电子还原反应，因此为阴极。从对外做电功来看，由于电子经过外部电路从氢气侧流向氧气侧，与外部电流流向相反，氧气侧电位较高，因此为电池正极，而氢气侧为负极。

通过上述原理分析可以发现，燃料电池正常工作时，电池内部涉及反应气体输运、电极反应、电子和质子传导、产物水排出及产热散热等物理化学过程。PEMFC结构不仅要实现上述各过程，且需要使性能、成本、耐久性等综合性能达到最优。由一片PEMFC组成的电池称为单电池，图2-1为实验室通过夹具组装好的单电池实物图，实际装车的PEMFC电堆由多片燃料电池堆叠串联而成。

单电池主要由集流板、流场板（即双极板，BP）和膜电极（MEA）组成。集流板的作用是将电化学反应产生的电流传导至外电路。双极板具有输运反应气体和产物水、导电及输运冷却液的功能。流场板靠近膜电极一侧开有气流道（GC），用以均匀分配电化学反应所需的氧气和氢气，以实现电流密度的均匀分布，提高电池输出功率。此外，气流道还具有及时排出反应生成的液态水功能，以降低氧气传递阻力，减少浓差极化损失。流场板另外一侧则开有冷却液流道，用来控制电池运行温度。流场板是实现电池水热管理的重要部件之一，其结构设计和材料选型一直是当前研究热点。

膜电极是PEMFC发电最关键核心部件，含阳和阴两个单侧电极，空间上由质子交换膜（PEM）进行隔离。PEM是膜电极核心部件，不仅起到隔离阴阳极气体反应物的作用，还起到传递质子和绝缘电子的作用。常见PEM有全氟磺酸质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜及复合质子交换膜等。PEM性能和含水量息息相关，为防止膜失水造成性能下降，PEMFC工作温度大多在100℃以下。

每个单侧电极都包括气体扩散基底（GDB）、微孔层（MPL）和催化层（CL）。此外，在各层相交处存在交界区域，结构如图2-2所示，各层简介如下：

（1）GDB 由孔径范围1～100μm的多孔材料构成，具有支撑、保护CL和PEM以及传递电荷和输运水气的功能。性能良好的GDB一般气体传质阻力小，能将反应气体均匀分布到催化层，同时还能及时排出积水，具有较长的使用寿命。

（2）MPL 沉积在GDB表面的一层致密多孔炭颗粒层，主要由碳粉和疏水剂聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）构成，起到平整表面、减小界面阻抗、改善孔隙结构和提升排水性能的作用。

（3）CL 由催化剂和离子聚合物构成的多孔结构，是电极反应发生场所。催化剂表面活性位点为反应场所，离子聚合物用来传递质子，孔隙用来输运反应气体，三者交界处为三相界面。CL是核心反应区域，几乎涉及PEMFC内物质传输、化学反应及相变等所有物理化学过程，其结构设计、制备工艺和催化剂合成一直是当前研究重点。