科普 | 什么是氫燃料電池電堆？

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源解決方案的需求日益增長(zhǎng)，氫燃料電池技術(shù)正逐漸成為能源領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。氫燃料電池電堆作為這一技術(shù)的核心組件，扮演著至關(guān)重要的角色。昨天氫能匯詳細(xì)介紹了什么是燃料電池，今天我們要解構(gòu)一下燃料電池最重要的組成部分——燃料電池電堆。

氫燃料電池電堆的定義

氫燃料電池電堆是一種將氫燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，也被稱為電化學(xué)發(fā)電器。它是氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分，通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生電能輸出。電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分。它由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成氫燃料電池電堆。

氫燃料電池電堆的構(gòu)成

氫燃料電池電堆主要由雙極板、膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。

1 、雙極板雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)零部件，起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，占整個(gè)燃料電池60%的重量和～20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料目前主要是石墨雙極板和金屬雙極板。

雙極板基本要求：（1）收集和傳導(dǎo)電流，要求電導(dǎo)率高；（2）排除反應(yīng)生成的水和熱，要求導(dǎo)熱性好、疏水性高、熱容小；（3）酸性環(huán)境，要求耐腐蝕性；（4）阻隔燃料，要求良好的氣密性；（5）使用壽命，要求抗振動(dòng)機(jī)沖擊，（6）密度小，減輕重量；（7）成本低、工藝簡(jiǎn)單。

2、 膜電極膜電極是電堆的核心，類似于電腦里的CPU，決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。

3 、質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心元件，以全氟磺酸膜為主，目前國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提速。質(zhì)子交換膜目前主流趨勢(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)型復(fù)合膜，質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，有幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到更高的性能。

4 、催化劑催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C，即由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔(dān)載型催化劑。受到資源和成本方面的限制，目前Pt的用量已經(jīng)由10年前的0.8～1g/kW降低到目前的0.1～0.4g/kW。降低燃料電池電堆Pt用量的近期目標(biāo)（2020年）是下降到0.1g/kW左右；長(zhǎng)期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器貴金屬用量水平。

5、 氣體擴(kuò)散層氣休擴(kuò)散層（GDL）位于流場(chǎng)和膜電極之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和產(chǎn)生的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。因此，GDL必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。

氫燃料電池電堆工作原理

氫燃料電池電堆的核心部分是電化學(xué)反應(yīng)。在工作過程中，氫氣和氧氣分別進(jìn)入電堆的陽極和陰極。

在陽極，氫氣被氧化為水和氧氣，而在陰極，氧氣被還原為水。這個(gè)過程是通過催化劑加速的，以提高反應(yīng)速率。

氫燃料電池電堆工作原理示意圖

在陽極和陰極之間，由于質(zhì)子交換膜的存在，氫離子（質(zhì)子）可以從陽極穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子則無法直接通過膜，只能通過外部電路流動(dòng)。當(dāng)電子在外電路中流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生直流電。因此，燃料電池電堆實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)直流電源，陽極為負(fù)極，陰極為正極。整個(gè)氫電堆的輸出電壓是單個(gè)電池電壓的總和，通常在0.6到0.8伏特之間。通過串聯(lián)和并聯(lián)多個(gè)單體電池，可以得到所需的電壓和功率輸出。

氫燃料電池電堆的類型

氫燃料電池電堆主要有兩種類型，一種是低溫型燃料電池電堆，一種是高溫型燃料電池電堆。

兩種大類下面還有各自的細(xì)分小類。

1、低溫燃料電池電堆：低溫燃料電池電堆通常在較低的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，一般在0攝氏度至100攝氏度之間。這類電堆的材料選擇相對(duì)簡(jiǎn)單，通常使用貴金屬催化劑如鉑作為電極。

A、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)：使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，質(zhì)子是離子態(tài)的電荷攜帶者。PEMFC的膜中，質(zhì)子是離子態(tài)的電荷攜帶者。在一個(gè)氫氣-氧氣的PEMFC中，半化學(xué)反應(yīng)是。

B、堿性燃料電池(AFC)：使用堿性溶液(通常是氫氧化鉀)作為電解質(zhì)。低溫燃料電池電堆由于其啟動(dòng)迅速、高效率等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于交通工具、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域。

2、高溫燃料電池電堆：高溫燃料電池電堆在較高的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，通常在500攝氏度至1000攝氏度之間。這類電堆的工作溫度較高，需要特殊的電解質(zhì)和材料來適應(yīng)高溫環(huán)境。

A.固體氧化物燃料電池(SOFC)：使用固體氧化物作為電解質(zhì)。SOFC必須工作在高溫環(huán)境(600℃)，由于高效率以及燃料的靈活多樣，這種燃料電池在固定式應(yīng)用上比較有吸引力。

B.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)：使用熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)。高溫燃料電池電堆由于其高效率和適應(yīng)高溫的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于發(fā)電廠、船舶推進(jìn)等領(lǐng)域。

氫燃料電池電堆如何組裝

氫燃料電池電堆的組裝是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到多個(gè)關(guān)鍵步驟和技術(shù)要點(diǎn)。以下是組裝流程的主要步驟及其注意事項(xiàng)：

物料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備所需的零部件，如端板、絕緣板、集流板、單電池（包含雙極板和MEA）、密封墊片等。確保所有零部件的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，特別是MEA、BPP等核心部件的可追溯性，可以通過引入Barcode系統(tǒng)等方式管理。

堆疊和預(yù)裝配：將下端板、絕緣板和集流板放在組裝工作臺(tái)上定位好。按照MEA、BPP（含密封墊片）、MEA、BPP的順序依次堆疊，直至達(dá)到設(shè)計(jì)所需的層數(shù)。注意保證各個(gè)零部件之間的緊密貼合和對(duì)齊，以避免影響電堆的工作性能。壓縮：使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)或伺服壓力機(jī)對(duì)電堆施加壓緊力。根據(jù)電堆的特性，設(shè)置合適的壓力、壓實(shí)時(shí)間和穩(wěn)定壓力等參數(shù)，確保各個(gè)零部件緊密貼合。

張緊：安裝螺桿或其他緊固件，保持電堆的壓緊狀態(tài)。

泄漏測(cè)試：完成壓緊后，進(jìn)行氣密性檢測(cè)，確保沒有泄漏。

定型裝配：在保持壓力的情況下，安裝好螺桿等壓縮力保持裝置。

活化和測(cè)試：最終進(jìn)行電堆的活化和性能測(cè)試，確保其正常運(yùn)行。在整個(gè)組裝過程中，還需要注意：工作環(huán)境應(yīng)為無塵室，組件厚度精度要小于10μm。每個(gè)單體電池的厚度約為1~2mm。組件定位的精準(zhǔn)性，避免任何損壞。

氫燃料電池電堆的優(yōu)勢(shì)

氫燃料電池電堆具有以下幾項(xiàng)顯著優(yōu)點(diǎn)：

無污染：氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，不會(huì)像傳統(tǒng)燃燒方式那樣釋放二氧化碳（COx）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等有害氣體。

低噪音：運(yùn)行時(shí)噪音約為55分貝，相當(dāng)于人們正常交談的水平，這使其適用于室內(nèi)安裝或?qū)ν饨缭胍粲袊?yán)格限制的場(chǎng)合。

高效能：氫燃料電池可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上。

高效率和低熱損耗：氫燃料電池作為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，其發(fā)電效率通常在40%-50%之間。

燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域

氫燃料電池電堆作為一種清潔能源技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 新能源汽車

氫燃料電池電堆在新能源汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，全國(guó)最大功率氫燃料電池電堆項(xiàng)目落戶寧鄉(xiāng)，產(chǎn)品主要應(yīng)用于新能源重卡汽車2。此外，多家企業(yè)已開發(fā)出200kW+的燃料電池電堆，包括未勢(shì)能源300kW石墨板電堆，新源動(dòng)力200kW燃料電池電堆模塊HYMOD-200M7，氫璞創(chuàng)能200kW金屬板電堆和最大功率達(dá)到340kW的第六代碳復(fù)合板電堆(HV系列石墨板電堆)等等。

2. 發(fā)電領(lǐng)域

氫燃料電池電堆還可以用于發(fā)電領(lǐng)域。使用氫燃料動(dòng)力電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不要進(jìn)行燃燒，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%~80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

3. 貯氫材料

氫的化學(xué)特性活躍，它可以與許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之后，形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分解，并把所吸收的氫釋放出來，這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。

4. 備用電源和大型無人機(jī)

驥翀氫能成立于2018年12月，致力于將自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)高可靠性低成本車用燃料電池電堆產(chǎn)品不斷推向市場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上拓展到備用電源、大型無人機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。

5. 惡劣環(huán)境下的應(yīng)用

國(guó)鴻氫能新一代石墨板電堆--鴻芯GIII電堆實(shí)現(xiàn)單堆輸出功率超過200kW，體積比比功率密度超過4.5kW/L，低溫環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)，可在零下35度低溫啟動(dòng)，惡劣環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)，滿足礦山(渣土、煤炭、石材、鐵礦)、高原、高溫、風(fēng)沙等惡劣環(huán)境場(chǎng)景的使用要求;壽命長(zhǎng)，使用壽命超過30000小時(shí)。

氫燃料電池電堆相關(guān)企業(yè)

氫燃料電池電堆生產(chǎn)企業(yè)有很多，氫燃料電池電堆制造領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)格局異常激烈。各家公司都試圖在技術(shù)的前沿站穩(wěn)腳跟。中國(guó)企業(yè)在這一領(lǐng)域迅速崛起，憑借政府的扶持政策和國(guó)內(nèi)龐大的市場(chǎng)需求，它們正在積極擴(kuò)大產(chǎn)能、提升技術(shù)實(shí)力。如濰柴動(dòng)力、國(guó)鴻氫能等，它們?cè)谌剂想姵睾诵牧悴考淖灾餮邪l(fā)上取得了顯著進(jìn)展，不斷推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的完善。

與此同時(shí)，歐洲和北美的企業(yè)也并未停下創(chuàng)新的腳步。他們利用豐富的科研資源和雄厚的資金實(shí)力，持續(xù)推動(dòng)氫燃料電池技術(shù)的革新。西門子、霍尼韋爾等國(guó)際巨頭在氫燃料電池電堆的研發(fā)上投入巨資，力圖保持其在行業(yè)中的領(lǐng)先地位。  

國(guó)氫科技 ：

國(guó)家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司簡(jiǎn)稱：國(guó)氫科技，于2017年5月注冊(cè)成立，位于北京市昌平區(qū)未來科學(xué)城南區(qū)國(guó)家電投集團(tuán)創(chuàng)新基地，是由國(guó)家電投批準(zhǔn)成立的氫能產(chǎn)業(yè)科技型企業(yè)。產(chǎn)品研發(fā)：氫燃料電池技術(shù)，制儲(chǔ)氫關(guān)鍵技術(shù)，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)等技術(shù)的研發(fā)和關(guān)鍵設(shè)備與材料部件制造。  

航天氫能 ：

航天氫能（上海）科技有限公司是由上海空間電源研究所基于六十年航天電源工程經(jīng)驗(yàn)和二十余年燃料電池技術(shù)積淀，聯(lián)合上下游優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同發(fā)起成立，致力發(fā)展成為氫電綜合能源解決方案引導(dǎo)者和成套設(shè)備供應(yīng)服務(wù)商。公司掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)燃料電池電堆及金屬雙極板、膜電極組件等關(guān)鍵技術(shù)，已建成年產(chǎn)能100MW的燃料電池自動(dòng)化生產(chǎn)線，產(chǎn)品涵蓋1kW到200kW不同系列燃料電池產(chǎn)品。  

明天氫能 ：

安徽明天氫能科技股份有限公司是一家燃料電池研發(fā)制造的高新技術(shù)企業(yè)，擁有燃料電池電堆與系統(tǒng)自主核心技術(shù)與完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擁有國(guó)內(nèi)燃料電池領(lǐng)域唯一的衣寶廉院士工作站，并形成以中科院大化所、同濟(jì)大學(xué)為技術(shù)來源的成建制一流研發(fā)團(tuán)隊(duì)，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。公司成功開發(fā)出商業(yè)化的金屬雙極板的燃料電池電堆，其體積比功率高于3.0kW/L；電堆功率范圍覆蓋20-100kW；能源利用效率高，氫氣利用率大于90%。

捷氫科技 ：

上海捷氫科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱"捷氫科技"）成立于2018年6月27日，為行業(yè)提供燃料電池產(chǎn)品及工程服務(wù)，已完成多款燃料電池電堆和燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)，功率涵蓋6kW~260kW，廣泛應(yīng)用于乘用車、城市客車、公路客車、輕中重型卡車、叉車、拖車等諸多領(lǐng)域，并可擴(kuò)展應(yīng)用于分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供和船舶、航空等非車用領(lǐng)域。  

神力科技 ： 

上海神力科技有限公司成立于1998年，是國(guó)家科技部重點(diǎn)培育、上海市各級(jí)政府重點(diǎn)支持的民營(yíng)新能源高新技術(shù)企業(yè)，公司以研發(fā)、生產(chǎn)及銷售燃料電池電堆及生產(chǎn)及銷售燃料電池測(cè)試設(shè)備為主要業(yè)務(wù)活動(dòng)，是國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的先行者。  

氫璞創(chuàng)能 ： 

氫璞創(chuàng)能聚焦燃料電池電堆的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的擁有核心技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的燃料電池電堆廠家，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)電堆自動(dòng)化生產(chǎn)線的締造者新源動(dòng)力 ：

新源動(dòng)力股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“新源動(dòng)力”）是中國(guó)第一家致力于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的股份制企業(yè)。掌握了燃料電池電堆及零部件正向開發(fā)、批量制造工藝的核心技術(shù)，是中國(guó)氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化實(shí)踐的引領(lǐng)者。 

濰柴動(dòng)力 ： 

濰柴動(dòng)力股份有限公司（HK2338,SZ000338）成立于2002年，由濰柴控股集團(tuán)有限公司作為主發(fā)起人、聯(lián)合境內(nèi)外投資者創(chuàng)建而成，是中國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)在香港H股上市的企業(yè)。公司氫燃料電池產(chǎn)品覆蓋50-200kW，最高效率可達(dá)62%，電堆體積功率密度可達(dá)4kW/L，可實(shí)現(xiàn)-30℃無輔熱低溫啟動(dòng)，系統(tǒng)成本大幅降低。 

國(guó)鴻氫能 ：

廣東國(guó)鴻氫能科技股份有限公司坐落在廣東省云浮市，成立于2015年6月，是一家以氫燃料電池為核心產(chǎn)品的高科技企業(yè)，致力于為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)的氫燃料電池產(chǎn)品和完善的系統(tǒng)解決方案。2017年，公司建成全球規(guī)模領(lǐng)先的氫燃料電池電堆生產(chǎn)基地。 

雄韜電源 ：

深圳市雄韜電源科技股份有限公司是一家集電池研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司已經(jīng)擁有全國(guó)最大功率氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、第一條自動(dòng)化電堆生產(chǎn)線等，完成了膜電極、燃料電池電堆、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、整車運(yùn)營(yíng)等氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)布局。

素材來源：伺服壓力機(jī) 氫眼所見等