我們就以結構最簡單的質子交換膜氫燃料單體電池為例對發生電化學反應的場所結構進行說明：

單體電池結構示意

英文釋義：

Anode：陽極（從示意圖看出是一個組合體的總稱，包含CL、GDL、FP)

Cathode:陰極（組合體同上）

FP：流場板（兩塊結合在一起形成雙極板，中空有流道，走冷卻介質）

Channel：流道（供反應物氫氣/氧氣在里面均勻流動）

GDL：氣體擴散層（一般為碳紙或者碳布）

PEM：質子交換膜（一層透明的東西，下面詳解）

H2：氫氣（燃料）

O2：氧氣（反應物，一般由空氣直供就好，有效成分氧氣參與反應，剩余瓶氧氣排出）

H2O：水（屬于電化學反應生成物，和反應物貧氧氣一個流道排出）

一、PEM（質子交換膜）

質子交換膜

作用：傳導質子（H+)的作用、分隔反應物（阻隔反應物通過）、電子絕緣（阻隔電子e-通過）。

分類：全氟磺酸型質子交換膜；nafion重鑄膜；非氟聚合物質子交換膜；新型復合質子交換膜等。補充說明：采用納米無機復合離子添加有擴展出高溫、低增濕、自增濕等類型的膜。

主要表征物性的參數：

厚度：（幾~幾十微米級）、

重量：（g/m2）、長*寬、

電導率：mS/cm（分長向和縱向，和下面EW值以及IEC值相關）

EW：1摩爾磺酸基含有的質量；IEC：1g質量的膜含有多少磺酸基，與EW互為倒數

機械強度、耐久性等（和EW值、厚度等相關）。

反應氣體的滲透系數：一般膜的滲透系數<10-8cm2/s-1

抗H2O2（雙氧水）的能力

二、GDL（氣體擴散層）

宏觀和微觀下的擴散層結構

作用：支撐膜電極和為電子、反應物及產物的多相傳質提供傳輸通道（排出電化學反應物、進行熱和電的傳導、傳輸反應介質等）。另擴散層需要發揮平衡電極表面存在適量水分的

作用。

分類：以基材層分為碳紙、碳布、碳氈（無論哪種方式都要經過2000度以上的溫度進行碳化（石墨化），再在表層涂布MPL（微孔層）。

氣體擴散層類型

性能表征參數：厚度、比重、壓縮回彈、厚度、孔隙率、PTFE含量（決定其疏水性或親水性）、電導率特性、熱導率特性和氣體擴散特性。

三、CL（催化劑+載體）

催化劑+載體

作用：燃料電池反應關鍵，催化劑以及催化劑載體形成的薄層；導電性好，載體耐蝕，催化活性大，降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應速率。

分類：Pt-C（碳鉑催化劑），Pt-M催化劑。Pt核殼催化劑、Pt單原子層催化劑。非貴金屬催化劑

性能表征參數：鉑載量（mg/cm2)、耐久性、抗CO中毒的性能等。

四、MEA（膜電極）

MEA模組

說明：

在實際工程中一般都是以上幾部分三合一產品或者五合一產品，組合成一個MEA的模組，叫做膜電極。三合一：就是催化層—質子交換膜—催化層三者集合；五合一就是擴散層—催化層—質子交換膜—催化層—擴散層五者結合。（結合工藝有多種方式，因為是淺閱讀科普，這里不做探討）

模組MEA主要參數：

功率密度：W/cm2；電流密度：mA/cm2

鉑載量：mg/cm2；g/KW，

厚度、機械強度、壽命（h）、

其他以上一、二、三項中的參數也需要在MEA性能上體現。

五、BP（流場板、雙極板）

雙極板（BP流場板）

作用：傳導電子、分配反應氣并帶走生成水，是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體致密性等；要求雙極板在燃料電池酸性（pH=2~3）、電位(E=~1.1 V)、濕熱（氣水兩相流，~80℃）環境下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相容無污染性；產品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。

分類：分為金屬和石墨兩大技術路線。（至于復合板也是基于這個本質）

雙極板分類

性能表征參數：

主要性能參數

結語：以上是從氫燃料電池單體的結構上進行了拆分和簡單的功能說明。單體僅是實際使用的氫燃料電池電堆的一個電化學反應單元，實際使用需要多個單元串聯集成，同時也需要其他輔助系統。本文僅供淺閱讀科普閱讀。有深度溝通的請單獨留言聯系 ！

原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：探索氫燃料電池的奧妙