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燃料電池電堆的八大件

2022-12-10 來(lái)源：氫領(lǐng)域瀏覽數(shù)：1944

氫的產(chǎn)業(yè)風(fēng)口愈吹愈勁，各路資本正加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)布局。不過(guò)，氫能裝備中有八項(xiàng)卡脖子技術(shù)被認(rèn)為是限制整個(gè)氫能行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，分別是氫燃料電池中的催化劑、擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆以及上車之后的系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵。

一、燃料電池電堆

燃料電池電堆是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心，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)成燃料電池電堆。

二、膜電極

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(jié)構(gòu)上由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層三大基礎(chǔ)部件構(gòu)成，是多項(xiàng)物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)唯一場(chǎng)所，決定著電堆性能、壽命和成本的上限，高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的膜電極對(duì)于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。目前膜電極占據(jù)電堆成本的60-70%左右，其成本主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。

三、質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，縮寫為PEM）是一種離子聚合物的半透膜，設(shè)計(jì)用于質(zhì)子傳導(dǎo)隔絕氧或氫。能傳遞質(zhì)子但對(duì)電子絕緣，起到傳導(dǎo)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(wěn)定性和耐久性，必須具備以下六種基本性能：質(zhì)子導(dǎo)電率、穩(wěn)定性、透氣性、吸水性、水電滲透性以及力學(xué)強(qiáng)度。

四、雙極板

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

五、催化劑

催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，分別是陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑。陽(yáng)極催化劑催化反應(yīng)為H氧化反應(yīng)，陰極催化劑反應(yīng)為O還原反應(yīng)。H氧化反應(yīng)經(jīng)歷的是兩電子反應(yīng)，而O還原反應(yīng)經(jīng)歷的是四電子反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移步驟多且復(fù)雜，制約整個(gè)反應(yīng)速度。良好的催化劑應(yīng)該具有良好的催化活性、高質(zhì)子傳導(dǎo)率、高電子傳導(dǎo)率和良好的水管理能力、氣體擴(kuò)散能力。

六、氣體擴(kuò)散層/碳紙