质子交换膜燃料电池（氢气燃料电池）的膜电极（MEA）主要由4部分材料构成：质子交换膜、催化剂层、微孔层和气体扩散层。MEA是质子交换膜燃料电池（氢气燃料电池）的核心，是氢气和氧气（来自空气）发生化学反应产生电流的场所。

质子交换膜燃料电池内部结构工作原理

因此，MEA是决定燃料电池发电效能的主要决定因素，催化剂的主要功能体现在将电池阳极端的氢气催化解离出质子和电子，同时在电池阴极端催化氧气与质子、电子反应生成水。催化剂的关键指标是催化活性和稳定性，催化活性越高电流密度就越大，稳定性越好电池寿命就越长。目前，大部分电催化剂的结构主要为贵金属纳米颗粒与碳材料相结合，常用的贵金属是铂。当前国内生产和科研上常用的是Johnson Matthey 公司的20 wt.% Pt/C系列进口催化剂，另外以Au, Ru贵金属等在催化剂上也有所应用。

纳米多孔碳材料的物理表征

纳米多孔碳支架（Nanoporous Carbon Scaffolds，NCS）薄膜是一种新型碳材料，具有较好的导电性，结构有序，孔径可调，易于加工。NCS薄膜可以用来制备燃料电池的催化剂层和微孔层，并将二者合二为一。该工艺不但可以解决上述传统方法的工艺繁琐、成本高等问题，还提高了催化效率，减少了铂催化剂的使用量，改善了MEA产品的稳定性和寿命。

新型燃料电池的结构示意图

此外，NCS碳材料的优势主要体现在:

(1) 生产工艺

氢气燃料电池所用的催化剂是3-5纳米铂纳米颗粒，因为铂纳米颗粒尺寸小、表面能高，非常容易团聚，因此制备粒径均一、分散均匀的催化剂非常困难。由于NCS内部是三维贯通的有序孔道结构，可以将铂纳米颗粒的制备和负载简化为一步完成。采取溶液浸渍原位还原的办法可以在NCS的孔洞内制备铂纳米颗粒，同时实现均匀负载，简化催化剂的制备和负载工艺。

(2) 改善性能

传统MEA中使用的催化剂是将铂纳米颗粒负载在活性炭上的，加上粘结剂后喷涂在质子交换膜两侧，活性炭颗粒之间的缝隙是微米级，反应物从活性炭颗粒之间经过时被催化的几率并不高。由于NCS是一整张膜，反应物只能从其负载催化剂的纳米孔道内通过，因此催化效率高。

(3) 改善寿命

相比于孔洞的直径，NCS中的孔和孔之间连接孔较小，催化剂负载后被限制在孔洞内，不易团聚，同时孔道内有化学修饰了大量羟基，增加了载体和铂纳米颗粒的键合力，明显提高催化剂寿命。

(4) 减少铂用量

由于NCS的孔道是规则有序的，铂纳米颗粒可以在NCS的孔道内实现均匀负载，因此可以减少铂用量。


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