膜電極組件

概念定義

膜電極組件（Membrane Electrode Assembly，簡稱 MEA），又稱膜電極，係燃料電池單電池嘅核心部件。佢由質子交換膜、位於膜兩側嘅催化劑層，以及氣體擴散層組成，並同雙極板配合構成單電池，負責完成氫能轉化成電能所需嘅電化學反應。

燃料電池運作時，氫氣進入膜電極組件嘅陽極一側，喺催化劑作用下分解成質子同電子。質子經質子交換膜移向陰極，電子則經外部電路流動，形成可供輸出嘅電流。

喺陰極一側，氧氣同由膜傳遞而來嘅質子，以及經外部電路返回嘅電子結合，生成水。膜電極組件因此同時承擔反應界面、質子傳遞同電流形成等作用；兩側催化劑層分別對應陽極嘅氫氣反應及陰極嘅氧氣反應。

質子交換膜位於組件中央，連接陽極同陰極兩側嘅反應過程。膜電極組件可採用 Nafion 系列質子交換膜，質子由陽極產生後經膜傳向陰極，而電子沿外部電路通過。

催化劑層設於質子交換膜兩側，常用鉑等貴金屬作為催化材料，亦可使用釕。催化劑負責促進陽極氫氣分解，以及陰極氧氣、質子同電子生成水嘅反應。催化材料可負載喺碳纖維基電極材料表面。

氣體擴散層係膜電極組件嘅組成部分，分別處於反應氣體進入嘅兩側，配合催化劑層完成陽極及陰極反應。膜電極組件再同雙極板組合，形成完整嘅燃料電池單電池；多個單電池可按系統需要組成燃料電池裝置。

膜電極組件嘅製造方向包括 CCM 型結構及自動化生產。武漢理工氫電科技有限公司建成 CCM 型膜電極自動化生產線，相關產品嘅鉑用量為每平方厘米 0.28 毫克，使用壽命達 2 萬小時。大連理工大學亦曾透過優化膜電極組件結構，提升燃料電池嘅功率密度同穩定性。

膜電極組件主要用於以氫氣同氧氣進行電化學反應嘅燃料電池，係電能輸出過程中直接完成核心反應嘅部件。相關產品可用於氫能源動力船及航天工程。

膜電極結構亦可延伸至其他電化學處理場景。喺廢水處理研究中，微孔結構膜電極採用過濾流模式處理硝酸鹽，硝酸鹽去除率達 96.2%，氨產率為每小時每平方厘米 8672.2 微克，顯示膜電極除燃料電池外，亦可作為特定電化學轉化程序嘅反應組件。