燃料電池電堆的八大件

 

 

燃料電池電堆是燃料電池發電系統的核心，由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成燃料電池電堆。

 

 

 

作為燃料電池電堆的“心臟”，膜電極很大程度上決定著電堆的性能水平。其結構上由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層三大基礎部件構成，是多項物質傳輸和電化學反應唯一場所，決定著電堆性能、壽命和成本的上限，高性能、長壽命、低成本的膜電極對于加速氫燃料電池商業化進程具有重要的意義。目前膜電極占據電堆成本的60-70%左右，其成本主要由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層構成。

 

 

 

質子交換膜（proton exchange membrane，縮寫為PEM）是一種離子聚合物的半透膜，設計用于質子傳導隔絕氧或氫。能傳遞質子但對電子絕緣，起到傳導氫離子、隔絕燃料和氧化劑、阻斷電子的作用。因此，PEM決定了燃料電池的性能、穩定性和耐久性，必須具備以下六種基本性能：質子導電率、穩定性、透氣性、吸水性、水電滲透性以及力學強度。

 

 

 

燃料電池雙極板的作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。雙極板作為質子交換膜燃料電池（ PEMFC） 的重要組成部分，質量約占電堆的 80% ，成本約占 38% ，幾乎占據了電堆的所有體積。因此，其材料的選擇與 PEMFC 電化學性能密切相關，主要集中在石墨、金屬和聚合物復合材料方面。

 

 

 

催化劑是質子交換膜燃料電池的核心部件，分別是陽極催化劑和陰極催化劑。陽極催化劑催化反應為H氧化反應，陰極催化劑反應為O還原反應。H氧化反應經歷的是兩電子反應，而O還原反應經歷的是四電子反應，電子轉移步驟多且復雜，制約整個反應速度。良好的催化劑應該具有良好的催化活性、高質子傳導率、高電子傳導率和良好的水管理能力、氣體擴散能力。

 

 

 

氣體擴散層位于流場和催化劑層之間，是支撐催化劑層和收集電流的重要結構，同時為電極反應提供氣體、質子、電子和水等多個通道，對燃料電池的耐久性和可靠性具有非常重要的意義。

 

 

 

燃料電池工作系統的運行離不開空壓機對其提供的壓縮空氣，空壓機的性能直接影響著整個燃料電池系統的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標。

 

 

 

 

將燃料電池堆出口未反應的氫氣再循環至燃料電池堆入口，從而提高氫氣的利用率以及用氫安全；

 

將燃料電池堆內部由于電化學反應生成的水循環至氫氣入口，起到給進氣加濕的作用，改善燃料電池堆內的水潤水平，提高了水管理能力，進而提升燃料電池堆的輸出特性；

 

由于氫氣循環泵對進氣的加濕作用，使得氫氣入口省去了額外的加濕系統，使得燃料電池系統更加精簡。

 

氫氣循環泵雖然本質上是一個氣泵，但由于其特殊的應用場景，導致氫氣循環泵的開發面臨很多技術難題。