科普 | 氫的“芯”——膜電極

膜電極在質子交換膜（PEM）電解水制氫及是質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傳遞的微通道和電化學反應場所。

膜電極結構由三部分組成：質子交換膜、陽極和陰極。質子交換膜位于中心，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生。陽極和陰極通常由催化劑涂層和氣體擴散層構成。因為膜電極是質子交換膜、催化層、氣體擴散層的集合體。

1、為什么PEM技術如此重要

在氫能技術領域，綠氫制取和氫燃料電池制造是兩條重要的技術鏈，在兩個鏈條中，有一個共同受到關注的技術方向，那就是質子交換膜技術。

在綠氫制取中，質子交換膜電解水制氫技術是一種高效的氫氣生產方法，這種技術通過分解水（H?O）來產生氫氣（H?）和氧氣（O?），在清潔能源領域具有重要的應用潛力。相對比堿式制氫，PEM制氫更加清潔，生產過程簡潔，易停易開。

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能，其工作原理是電解水制取綠氫的逆反應。質子交換膜燃料電池是其最重要的技術類型。這一技術是把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

2、膜電極工作原理

在質子交換膜氫燃料電池中，氫氣通過陽極極板上的氣體流場到達陽極，通過電極上的擴散層到達陽極催化層，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個氫離子，即質子H＋，并釋放出2個電子。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到達陰極，通過電極上的擴散層到達陰極催化層，吸附在陰極催化層，同時，氫離子穿過電解質到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發生反應生成水，這一過程稱為氧的陰極還原過程。

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

在PEM制氫過程中，反應剛好與以上過程相反。

3、技術核心在膜電極

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，因為其性能直接影響到電解/發電效率和系統穩定性。如何提高電解/發電效率，膜電極有四項技術的研發最重要：

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

催化反應：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，加速反應過程。陽極催化劑促進水分解生成氧氣和質子，而陰極催化劑則促進質子還原生成氫氣。

氣體擴散層：兩片多孔氣體擴散層（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、傳導氣體和排出反應產物水。氣體擴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：在電解過程中會產生大量熱量，膜電極的設計需要有效地進行熱管理，以維持電解系統的穩定運行。

4、我國的膜電極企業：

鴻基創能科技（廣州）有限公司：鴻基創能成立于2017年12月底，主業是做氫燃料電池膜電極材料，目前也發展了PEM電解制氫膜電極產品。鴻基創能是我國膜電極生產企業的先鋒，已鴻基創能開發了多項核心技術，如CCM陰陽極雙面直接涂布技術、膜電極一體化成型技術等，實現了膜電極大規模產業化，并成功降低了生產成本，提高了生產效率。2019年底鴻基創能膜電極產線量產投產。

?中國船舶重工集團公司第七一二研究所?：擁有近60年的深厚沉淀，在燃料電池技術研究領域處于領先地位。已研發出具有自主知識產權的膜電極和雙極板，實現了核心技術自主可控。

?武漢理工氫電科技有限公司?：作為國內最早從事膜電極研發生產的企業之一，實現了膜電極的國產化，并開發了國內首條自動化膜電極生產線，大幅提高了年產能和產品質量。

未勢能源：去年年底宣布成功研發第二代高性能膜電極，基于整車需求進行創新性設計，應用超薄膜材和可量產的有序化膜電極技術，通過持續突破技術瓶頸，不斷優化生產工藝，在測試評價技術、高傳質技術、低電密自增濕等技術方面取得重大突破，達到了國際先進水平。

?泰極動力?：專注于研發和銷售膜電極產品，已實現銷售收入突破2000萬元。公司通過持續的技術創新和產線擴張，實現了年產能的顯著增長，并獲得了國際市場的認可。

暗流科技：已經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壁壘，開發的碳水基燃料粉末擁有和汽油相接近的體積能量密度。公司項目擁有自主知識產權的膜電極以及氣體擴散層（GDL）生產設備以及化學工藝。暗流科技的膜電極技術特色是定制化。

重要的膜電極企業還有：新源動力、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、中自科技、百坤氫能、納爾氫電、威孚高科等。