膜電極（MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中的“芯片”，主要由質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層組成，是氫、氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的重要場(chǎng)所，是質(zhì)子和電子的傳輸媒介，也是氣體和水的進(jìn)出通道。
作為燃料電池的核心，膜電極的性能會(huì)影響燃料電池的正常使用及壽命，因此，通過(guò)一些參數(shù)來(lái)了解膜電極性能變化顯得至關(guān)重要。
膜電極的參數(shù)可分為物理參數(shù)和電化學(xué)參數(shù)，其中固有的物理參數(shù)，如質(zhì)子交換膜厚度、催化劑載量、氣體擴(kuò)散層孔隙率等，在膜電極設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)被廠家確定，雖然膜電極的物理參數(shù)在壓裝后和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，但是這些參數(shù)在成堆后難以被直接測(cè)量出來(lái)，因此一般不會(huì)通過(guò)物理參數(shù)來(lái)評(píng)估堆內(nèi)膜電極的品質(zhì)。
而電化學(xué)參數(shù)則可以在成堆后被無(wú)損地檢測(cè)，更能直觀地表征膜電極的品質(zhì)與狀態(tài)，比較有代表性的有：氫滲電流密度、催化劑活性面積、歐姆阻抗、短路電阻、雙電層電容等。
一、膜電極電化學(xué)參數(shù)簡(jiǎn)介
表征氫氣從陽(yáng)極到陰極的滲透強(qiáng)度，實(shí)際上表征了質(zhì)子交換膜的致密程度，對(duì)于良品膜電極來(lái)說(shuō)，其氫滲電流會(huì)維持在較低水平，而次品膜電極或老化的膜電極，其質(zhì)子交換膜可能會(huì)出現(xiàn)裂紋、穿孔等現(xiàn)象，這將導(dǎo)致氫滲電流密度的顯著增加。
又稱催化劑有效活性面積，即膜電極搭載的催化劑中真正起到催化作用的那部分催化劑的比表面積，表征了膜電極催化劑活性點(diǎn)位的多少，檢測(cè)催化劑活性面積不僅可以評(píng)估催化劑涂敷的均勻程度，還可以準(zhǔn)確的衡量催化劑老化的進(jìn)程。
電子顯微鏡下膜電極上Pt催化劑分布狀態(tài)及粒徑的演變（新膜電極vs.使用后的膜電極）
即燃料電池工作時(shí)的內(nèi)阻，表征了燃料電池中離子阻抗和各部件接觸電阻之和。歐姆阻抗的存在會(huì)造成燃料電池輸出電壓的下降，影響燃料電池的輸出性能。膜電極各組件間的接觸不良，比如說(shuō)質(zhì)子交換膜與催化劑層、催化劑層與氣體擴(kuò)散層之間的分層等，以及質(zhì)子交換膜增濕不夠?qū)е履?nèi)離子傳導(dǎo)性能下降，都會(huì)造成歐姆阻抗升高。
電子顯微鏡下膜電極的質(zhì)子交換膜與催化劑層之間發(fā)生的分層現(xiàn)象
表征了膜電極對(duì)電子流動(dòng)的阻力，主要代表著質(zhì)子交換膜的電子絕緣性，短路電阻過(guò)低，就意味著燃料電池內(nèi)部可能發(fā)生了內(nèi)部微短路。
在膜電極陰、陽(yáng)極催化劑和質(zhì)子交換膜的界面上，由于電荷極性分布而形成了雙電層結(jié)構(gòu)。雙電層電容就是指該雙電層結(jié)構(gòu)所具有的電容值，可以間接表征催化劑載體碳的粒徑大小從而判斷催化劑或者碳載體的形貌改變，并以此評(píng)估催化劑涂敷質(zhì)量和老化程度。
以上列舉的電化學(xué)參數(shù)只是眾多膜電極參數(shù)中最具代表性的幾種，它們從不同角度表征著膜電極（包括質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層）的品質(zhì)和性能。
二、膜電極電化學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法的比較
目前，常用的膜電極電化學(xué)參數(shù)的檢測(cè)方法有：極化曲線法、電流中斷法（CIM）、循環(huán)伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）、電化學(xué)阻抗譜法（EIS）和微電流激勵(lì)法（MCE)。
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催化劑活性面積、膜滲氫電流、雙電層電容、短路電阻、歐姆阻抗
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從表中可以看出，極化曲線法、CIM、CV、LSV、EIS這幾種方法在獲取膜電極電化學(xué)參數(shù)時(shí)存在局限性，其中，極化曲線法、CIM、EIS只能測(cè)得阻抗這個(gè)參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量；而CV和LSV只能對(duì)單片電池進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法進(jìn)行燃料電池的整堆測(cè)試。只有MCE能同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料電池整堆測(cè)試和多參數(shù)同步測(cè)試?？梢?jiàn)，微電流激勵(lì)法相較于其他檢測(cè)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更適合燃料電池大功率電堆的發(fā)展趨勢(shì)。
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