質子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的膜電極（MEA）主要由4部分材料構成：質子交換膜、催化劑層、微孔層和氣體擴散層。MEA是質子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的核心，是氫氣和氧氣（來自空氣）發生化學反應產生電流的場所。

質子交換膜燃料電池內部結構工作原理

因此，MEA是決定燃料電池發電效能的主要決定因素，催化劑的主要功能體現在將電池陽極端的氫氣催化解離出質子和電子，同時在電池陰極端催化氧氣與質子、電子反應生成水。催化劑的關鍵指標是催化活性和穩定性，催化活性越高電流密度就越大，穩定性越好電池壽命就越長。目前，大部分電催化劑的結構主要為貴金屬納米顆粒與碳材料相結合，常用的貴金屬是鉑。當前國內生產和科研上常用的是Johnson Matthey 公司的20 wt.% Pt/C系列進口催化劑，另外以Au, Ru貴金屬等在催化劑上也有所應用。

納米多孔碳材料的物理表徵

納米多孔碳支架（Nanoporous Carbon Scaffolds，NCS）薄膜是一種新型碳材料，具有較好的導電性，結構有序，孔徑可調，易於加工。NCS薄膜可以用來製備燃料電池的催化劑層和微孔層，並將二者合二為一。該工藝不但可以解決上述傳統方法的工藝繁瑣、成本高等問題，還提高了催化效率，減少了鉑催化劑的使用量，改善了MEA產品的穩定性和壽命。

新型燃料電池的結構示意圖

此外，NCS碳材料的優勢主要體現在:

(1) 生產工藝

氫氣燃料電池所用的催化劑是3-5納米鉑納米顆粒，因為鉑納米顆粒尺寸小、表面能高，非常容易團聚，因此製備粒徑均一、分散均勻的催化劑非常困難。由於NCS內部是三維貫通的有序孔道結構，可以將鉑納米顆粒的製備和負載簡化為一步完成。採取溶液浸漬原位還原的辦法可以在NCS的孔洞內製備鉑納米顆粒，同時實現均勻負載，簡化催化劑的製備和負載工藝。

(2) 改善性能

傳統MEA中使用的催化劑是將鉑納米顆粒負載在活性炭上的，加上粘結劑後噴塗在質子交換膜兩側，活性炭顆粒之間的縫隙是微米級，反應物從活性炭顆粒之間經過時被催化的幾率並不高。由於NCS是一整張膜，反應物只能從其負載催化劑的納米孔道內通過，因此催化效率高。

(3) 改善壽命

相比於孔洞的直徑，NCS中的孔和孔之間連接孔較小，催化劑負載後被限制在孔洞內，不易團聚，同時孔道內有化學修飾了大量羥基，增加了載體和鉑納米顆粒的鍵合力，明顯提高催化劑壽命。

(4) 減少鉑用量

由於NCS的孔道是規則有序的，鉑納米顆粒可以在NCS的孔道內實現均勻負載，因此可以減少鉑用量。


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