膜電極（MEA）是質子交換膜燃料電池（PEMFC）中的“芯片”，主要由質子交換膜、催化層和氣體擴散層組成，是氫、氧發生電化學反應的重要場所，是質子和電子的傳輸媒介，也是氣體和水的進出通道。
作為燃料電池的核心，膜電極的性能會影響燃料電池的正常使用及壽命，因此，通過一些參數來了解膜電極性能變化顯得至關重要。
膜電極的參數可分為物理參數和電化學參數，其中固有的物理參數，如質子交換膜厚度、催化劑載量、氣體擴散層孔隙率等，在膜電極設計之初就已經被廠家確定，雖然膜電極的物理參數在壓裝后和使用過程中會出現不同程度的變化，但是這些參數在成堆后難以被直接測量出來，因此一般不會通過物理參數來評估堆內膜電極的品質。
而電化學參數則可以在成堆后被無損地檢測，更能直觀地表征膜電極的品質與狀態，比較有代表性的有：氫滲電流密度、催化劑活性面積、歐姆阻抗、短路電阻、雙電層電容等。
一、膜電極電化學參數簡介
表征氫氣從陽極到陰極的滲透強度，實際上表征了質子交換膜的致密程度，對于良品膜電極來說，其氫滲電流會維持在較低水平，而次品膜電極或老化的膜電極，其質子交換膜可能會出現裂紋、穿孔等現象，這將導致氫滲電流密度的顯著增加。
又稱催化劑有效活性面積，即膜電極搭載的催化劑中真正起到催化作用的那部分催化劑的比表面積，表征了膜電極催化劑活性點位的多少，檢測催化劑活性面積不僅可以評估催化劑涂敷的均勻程度，還可以準確的衡量催化劑老化的進程。
電子顯微鏡下膜電極上Pt催化劑分布狀態及粒徑的演變（新膜電極vs.使用后的膜電極）
即燃料電池工作時的內阻，表征了燃料電池中離子阻抗和各部件接觸電阻之和。歐姆阻抗的存在會造成燃料電池輸出電壓的下降，影響燃料電池的輸出性能。膜電極各組件間的接觸不良，比如說質子交換膜與催化劑層、催化劑層與氣體擴散層之間的分層等，以及質子交換膜增濕不夠導致膜內離子傳導性能下降，都會造成歐姆阻抗升高。
電子顯微鏡下膜電極的質子交換膜與催化劑層之間發生的分層現象
表征了膜電極對電子流動的阻力，主要代表著質子交換膜的電子絕緣性，短路電阻過低，就意味著燃料電池內部可能發生了內部微短路。
在膜電極陰、陽極催化劑和質子交換膜的界面上，由于電荷極性分布而形成了雙電層結構。雙電層電容就是指該雙電層結構所具有的電容值，可以間接表征催化劑載體碳的粒徑大小從而判斷催化劑或者碳載體的形貌改變，并以此評估催化劑涂敷質量和老化程度。
以上列舉的電化學參數只是眾多膜電極參數中最具代表性的幾種，它們從不同角度表征著膜電極（包括質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）的品質和性能。
二、膜電極電化學參數檢測方法的比較
目前，常用的膜電極電化學參數的檢測方法有：極化曲線法、電流中斷法（CIM）、循環伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）、電化學阻抗譜法（EIS）和微電流激勵法（MCE)。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
催化劑活性面積、膜滲氫電流、雙電層電容、短路電阻、歐姆阻抗
|
從表中可以看出，極化曲線法、CIM、CV、LSV、EIS這幾種方法在獲取膜電極電化學參數時存在局限性，其中，極化曲線法、CIM、EIS只能測得阻抗這個參數，無法進行多參數測量；而CV和LSV只能對單片電池進行檢測，無法進行燃料電池的整堆測試。只有MCE能同時實現燃料電池整堆測試和多參數同步測試。可見，微電流激勵法相較于其他檢測方法具有明顯的優勢，更適合燃料電池大功率電堆的發展趨勢。
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）
艾邦氫能產業鏈通訊錄，目前有2200人加入，如億華通、清極能源、氫藍時代、雄韜、氫牛、氫璞、愛德曼、氫晨、喜馬拉雅、明天氫能、康明斯、新源動力、巴拉德、現代汽車、神力科技、中船712等等，可以按照標簽篩選，請點擊下方關鍵詞試試
資料下載：