科普 | 氢的“芯”——膜电极

膜电极在质子交换膜（PEM）电解水制氢及是质子交换膜燃料电池制造中占有重要地位，它的作用是作为多相物质传递的微通道和电化学反应场所。

膜电极结构由三部分组成：质子交换膜、阳极和阴极。质子交换膜位于中心，一边的阳极用于氧气的生成，另一边的阴极则用于氢气的产生。阳极和阴极通常由催化剂涂层和气体扩散层构成。因为膜电极是质子交换膜、催化层、气体扩散层的集合体。

1、为什么PEM技术如此重要

在氢能技术领域，绿氢制取和氢燃料电池制造是两条重要的技术链，在两个链条中，有一个共同受到关注的技术方向，那就是质子交换膜技术。

在绿氢制取中，质子交换膜电解水制氢技术是一种高效的氢气生产方法，这种技术通过分解水（H₂O）来产生氢气（H₂）和氧气（O₂），在清洁能源领域具有重要的应用潜力。相对比碱式制氢，PEM制氢更加清洁，生产过程简洁，易停易开。

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能，其工作原理是电解水制取绿氢的逆反应。质子交换膜燃料电池是其最重要的技术类型。这一技术是把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

2、膜电极工作原理

在质子交换膜氢燃料电池中，氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极，通过电极上的扩散层到达阳极催化层，吸附在阳极催化剂层，氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子，即质子H＋，并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程。

在电池的另一端，氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极，通过电极上的扩散层到达阴极催化层，吸附在阴极催化层，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水，这一过程称为氧的阴极还原过程。

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能，生成的水通过电极随反应尾气排出。

在PEM制氢过程中，反应刚好与以上过程相反。

3、技术核心在膜电极

无论是PEM制氢还是PEM氢燃料电池，其功能核心在于使用的膜电极组件，因为其性能直接影响到电解/发电效率和系统稳定性。如何提高电解/发电效率，膜电极有四项技术的研发最重要：

质子交换膜：质子交换膜的主要作用是传导质子（H⁺），同时阻挡电子和气体通过，确保电解过程中氢气和氧气的分离。高质量的膜可以有效降低电阻，提高系统的整体效率。质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟聚合物质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜和非氟化聚合物质子交换膜。

催化反应：膜电极的催化层含有专门的催化剂（如铂或铱），在电解过程中，这些催化剂能够降低水分解的能量门槛，加速反应过程。阳极催化剂促进水分解生成氧气和质子，而阴极催化剂则促进质子还原生成氢气。

气体扩散层：两片多孔气体扩散层（GDL）将膜电极组合体夹在中间，主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸。

热管理：在电解过程中会产生大量热量，膜电极的设计需要有效地进行热管理，以维持电解系统的稳定运行。

4、我国的膜电极企业：

鸿基创能科技（广州）有限公司：鸿基创能成立于2017年12月底，主业是做氢燃料电池膜电极材料，目前也发展了PEM电解制氢膜电极产品。鸿基创能是我国膜电极生产企业的先锋，已鸿基创能开发了多项核心技术，如CCM阴阳极双面直接涂布技术、膜电极一体化成型技术等，实现了膜电极大规模产业化，并成功降低了生产成本，提高了生产效率。2019年底鸿基创能膜电极产线量产投产。

‌中国船舶重工集团公司第七一二研究所‌：拥有近60年的深厚沉淀，在燃料电池技术研究领域处于领先地位。已研发出具有自主知识产权的膜电极和双极板，实现了核心技术自主可控。

‌武汉理工氢电科技有限公司‌：作为国内最早从事膜电极研发生产的企业之一，实现了膜电极的国产化，并开发了国内首条自动化膜电极生产线，大幅提高了年产能和产品质量。

未势能源：去年年底宣布成功研发第二代高性能膜电极，基于整车需求进行创新性设计，应用超薄膜材和可量产的有序化膜电极技术，通过持续突破技术瓶颈，不断优化生产工艺，在测试评价技术、高传质技术、低电密自增湿等技术方面取得重大突破，达到了国际先进水平。

‌泰极动力‌：专注于研发和销售膜电极产品，已实现销售收入突破2000万元。公司通过持续的技术创新和产线扩张，实现了年产能的显著增长，并获得了国际市场的认可。

暗流科技：已经在在燃料电池的电解液配方以及膜电极工艺方面建立了核心技术壁垒，开发的碳水基燃料粉末拥有和汽油相接近的体积能量密度。公司项目拥有自主知识产权的膜电极以及气体扩散层（GDL）生产设备以及化学工艺。暗流科技的膜电极技术特色是定制化。

重要的膜电极企业还有：新源动力、唐锋能源、南科燃料电池、桑莱特、喜玛拉雅氢能、亿氢科技、中氢科技、锋源氢能、博氢集团、中自科技、百坤氢能、纳尔氢电、威孚高科等。