燃料電池膜電極(MEA)是燃料電池中的關鍵組件,它包括電解質膜和兩側附著的陽極(負極)及陰極(正極)。MEA在燃料電池中起到了至關重要的作用,它不僅要允許質子(如在質子交換膜燃料電池中)或氧離子(如在固體氧化物燃料電池中)的傳輸,還要防止燃料和氧化劑之間的直接混合。
燃料電池的種類非常多,以下是主要的幾種燃料電池膜電極類型:
1. 質子交換膜燃料電池(PEMFC)的膜電極:
這種類型的MEA通常由質子交換膜(如Nafion)組成,它具有極高的質子傳輸效率,而且工作溫度相對較低(通常在80°C以下)。陽極上鋪有鉑或鉑合金催化劑,用于催化氫燃料的分解。陰極上同樣鋪有催化劑,用于催化氧的還原。這種MEA的優(yōu)點是啟動速度快,靈敏度高,但其缺點包括成本較高(因為使用了昂貴的鉑催化劑)和燃料滲透問題。
2. 堿性燃料電池(AFC)的膜電極:
堿性燃料電池使用堿性電解質(如氫氧化鉀溶液)的MEA。由于使用了堿性介質,所以它可以使用較為比鉑便宜的催化劑,如鎳基催化劑。它的工作溫度類似于PEMFC,但堿性環(huán)境對于催化反應有助益,因此催化活性可能更高。堿性燃料電池通常用于宇宙飛行器因為它們對二氧化碳非常敏感,所以不太適用于含CO2環(huán)境。
3. 磷酸燃料電池(PAFC)的膜電極:
磷酸燃料電池使用磷酸作為電解質,并在中等溫度范圍工作(大約150°C到200°C)。這種MEA通常使用的催化劑是鉑或鉑合金,并且因為工作溫度較高,其耐碳單化物中毒能力比PEMFC要強。但是,磷酸的腐蝕性和液體形態(tài)使得MEA的長期穩(wěn)定性是一個挑戰(zhàn)。
4. 固體氧化物燃料電池(SOFC)的膜電極:
固體氧化物燃料電池工作在非常高的溫度(800°C到1000°C),它們的MEA通常由固態(tài)的陶瓷材料構成,如氧化鋯(為主要的電解質材料)。這種MEA在高溫下可以允許氧離子的傳輸,可以用于直接氧化一氧化碳和其他碳氫化合物。因此,SOFC具有很高的燃料靈活性和高效的電化學轉換效率,但高溫運行的技術挑戰(zhàn)也非常明顯,如材料穩(wěn)定性和密封問題。
5. 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的膜電極:
這種燃料電池類型的MEA在高溫下工作(大約650°C),它使用熔融的碳酸鹽作為電解質。這種MEA可以使用非貴金屬催化劑,并具有良好的CO和CO2耐受性。熔融碳酸鹽在高溫下既可以導電也可以導離子,這使得燃料電池可以高效地轉換燃料。然而,高溫和腐蝕性電解質也導致材料選擇和維護成為重要問題。