科普 | 氫的“芯”——膜電極

膜電極在質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫及是質(zhì)子交換膜燃料電池制造中占有重要地位，它的作用是作為多相物質(zhì)傳遞的微通道和電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所。

膜電極結(jié)構(gòu)由三部分組成：質(zhì)子交換膜、陽極和陰極。質(zhì)子交換膜位于中心，一邊的陽極用于氧氣的生成，另一邊的陰極則用于氫氣的產(chǎn)生。陽極和陰極通常由催化劑涂層和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。因?yàn)槟る姌O是質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層的集合體。

1、為什么PEM技術(shù)如此重要

在氫能技術(shù)領(lǐng)域，綠氫制取和氫燃料電池制造是兩條重要的技術(shù)鏈，在兩個(gè)鏈條中，有一個(gè)共同受到關(guān)注的技術(shù)方向，那就是質(zhì)子交換膜技術(shù)。

在綠氫制取中，質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)是一種高效的氫氣生產(chǎn)方法，這種技術(shù)通過分解水（H?O）來產(chǎn)生氫氣（H?）和氧氣（O?），在清潔能源領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。相對(duì)比堿式制氫，PEM制氫更加清潔，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)潔，易停易開。

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，其工作原理是電解水制取綠氫的逆反應(yīng)。質(zhì)子交換膜燃料電池是其最重要的技術(shù)類型。這一技術(shù)是把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。

2、膜電極工作原理

在質(zhì)子交換膜氫燃料電池中，氫氣通過陽極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陽極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化層，吸附在陽極催化劑層，氫氣在催化劑鉑的催化作用下分解為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子H＋，并釋放出2個(gè)電子。這一過程稱為氫的陽極氧化過程。

在電池的另一端，氧氣或空氣通過陰極極板上的氣體流場(chǎng)到達(dá)陰極，通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過外電路也到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這一過程稱為氧的陰極還原過程。

與此同時(shí)，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當(dāng)連接可以向負(fù)載輸出電能，生成的水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。

在PEM制氫過程中，反應(yīng)剛好與以上過程相反。

3、技術(shù)核心在膜電極

無論是PEM制氫還是PEM氫燃料電池，其功能核心在于使用的膜電極組件，因?yàn)槠湫阅苤苯佑绊懙诫娊?發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。如何提高電解/發(fā)電效率，膜電極有四項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)最重要：

質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜的主要作用是傳導(dǎo)質(zhì)子（H?），同時(shí)阻擋電子和氣體通過，確保電解過程中氫氣和氧氣的分離。高質(zhì)量的膜可以有效降低電阻，提高系統(tǒng)的整體效率。質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟情況進(jìn)行分類主要包括全氟聚合物質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜和非氟化聚合物質(zhì)子交換膜。

催化反應(yīng)：膜電極的催化層含有專門的催化劑（如鉑或銥），在電解過程中，這些催化劑能夠降低水分解的能量門檻，加速反應(yīng)過程。陽極催化劑促進(jìn)水分解生成氧氣和質(zhì)子，而陰極催化劑則促進(jìn)質(zhì)子還原生成氫氣。

氣體擴(kuò)散層：兩片多孔氣體擴(kuò)散層（GDL）將膜電極組合體夾在中間，主要作用包括支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水。氣體擴(kuò)散層由支撐層和微孔層組成，支撐層材料主要為多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維無紡布及碳黑紙。

熱管理：在電解過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，膜電極的設(shè)計(jì)需要有效地進(jìn)行熱管理，以維持電解系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4、我國(guó)的膜電極企業(yè)：

鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司：鴻基創(chuàng)能成立于2017年12月底，主業(yè)是做氫燃料電池膜電極材料，目前也發(fā)展了PEM電解制氫膜電極產(chǎn)品。鴻基創(chuàng)能是我國(guó)膜電極生產(chǎn)企業(yè)的先鋒，已鴻基創(chuàng)能開發(fā)了多項(xiàng)核心技術(shù)，如CCM陰陽極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了膜電極大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，并成功降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。2019年底鴻基創(chuàng)能膜電極產(chǎn)線量產(chǎn)投產(chǎn)。

?中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所?：擁有近60年的深厚沉淀，在燃料電池技術(shù)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。已研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膜電極和雙極板，實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)自主可控。

?武漢理工氫電科技有限公司?：作為國(guó)內(nèi)最早從事膜電極研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一，實(shí)現(xiàn)了膜電極的國(guó)產(chǎn)化，并開發(fā)了國(guó)內(nèi)首條自動(dòng)化膜電極生產(chǎn)線，大幅提高了年產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量。

未勢(shì)能源：去年年底宣布成功研發(fā)第二代高性能膜電極，基于整車需求進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，應(yīng)用超薄膜材和可量產(chǎn)的有序化膜電極技術(shù)，通過持續(xù)突破技術(shù)瓶頸，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)、高傳質(zhì)技術(shù)、低電密自增濕等技術(shù)方面取得重大突破，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

?泰極動(dòng)力?：專注于研發(fā)和銷售膜電極產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)銷售收入突破2000萬元。公司通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)線擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)能的顯著增長(zhǎng)，并獲得了國(guó)際市場(chǎng)的認(rèn)可。

暗流科技：已經(jīng)在在燃料電池的電解液配方以及膜電極工藝方面建立了核心技術(shù)壁壘，開發(fā)的碳水基燃料粉末擁有和汽油相接近的體積能量密度。公司項(xiàng)目擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膜電極以及氣體擴(kuò)散層（GDL）生產(chǎn)設(shè)備以及化學(xué)工藝。暗流科技的膜電極技術(shù)特色是定制化。

重要的膜電極企業(yè)還有：新源動(dòng)力、唐鋒能源、南科燃料電池、桑萊特、喜瑪拉雅氫能、億氫科技、中氫科技、鋒源氫能、博氫集團(tuán)、中自科技、百坤氫能、納爾氫電、威孚高科等。