科普 | 什么是氢燃料电池电堆？

随着全球对可持续能源解决方案的需求日益增长，氢燃料电池技术正逐渐成为能源领域的一个热点。氢燃料电池电堆作为这一技术的核心组件，扮演着至关重要的角色。昨天氢能汇详细介绍了什么是燃料电池，今天我们要解构一下燃料电池最重要的组成部分——燃料电池电堆。

氢燃料电池电堆的定义

氢燃料电池电堆是一种将氢燃料的化学能直接转化为电能的装置，也被称为电化学发电器。它是氢燃料电池动力系统的核心部分，通过电化学反应发生电能输出。电堆是发生电化学反应的场所，也是氢燃料电池动力系统核心部分。它由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成氢燃料电池电堆。

氢燃料电池电堆的构成

氢燃料电池电堆主要由双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂和气体扩散层构成。

1 、双极板双极板是电堆的核心结构零部件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池60%的重量和～20%的成本，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板。

双极板基本要求：（1）收集和传导电流，要求电导率高；（2）排除反应生成的水和热，要求导热性好、疏水性高、热容小；（3）酸性环境，要求耐腐蚀性；（4）阻隔燃料，要求良好的气密性；（5）使用寿命，要求抗振动机冲击，（6）密度小，减轻重量；（7）成本低、工艺简单。

2、 膜电极膜电极是电堆的核心，类似于电脑里的CPU，决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层（气体扩散层）组成。

3 、质子交换膜质子交换膜是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心元件，以全氟磺酸膜为主，目前国产化进程提速。质子交换膜目前主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜，质子交换膜逐渐趋于薄型化，有几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能。

4 、催化剂催化剂是燃料电池的关键材料之一，目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C，即由Pt的纳米颗粒分散到碳粉（如XC-72）载体上的担载型催化剂。受到资源和成本方面的限制，目前Pt的用量已经由10年前的0.8～1g/kW降低到目前的0.1～0.4g/kW。降低燃料电池电堆Pt用量的近期目标（2020年）是下降到0.1g/kW左右；长期目标是催化剂用量达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平。

5、 气体扩散层气休扩散层（GDL）位于流场和膜电极之间，主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道，并支撑膜电极。因此，GDL必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

氢燃料电池电堆工作原理

氢燃料电池电堆的核心部分是电化学反应。在工作过程中，氢气和氧气分别进入电堆的阳极和阴极。

在阳极，氢气被氧化为水和氧气，而在阴极，氧气被还原为水。这个过程是通过催化剂加速的，以提高反应速率。

氢燃料电池电堆工作原理示意图

在阳极和阴极之间，由于质子交换膜的存在，氢离子（质子）可以从阳极穿过质子交换膜到达阴极，而电子则无法直接通过膜，只能通过外部电路流动。当电子在外电路中流动时，就会产生直流电。因此，燃料电池电堆实际上相当于一个直流电源，阳极为负极，阴极为正极。整个氢电堆的输出电压是单个电池电压的总和，通常在0.6到0.8伏特之间。通过串联和并联多个单体电池，可以得到所需的电压和功率输出。

氢燃料电池电堆的类型

氢燃料电池电堆主要有两种类型，一种是低温型燃料电池电堆，一种是高温型燃料电池电堆。

两种大类下面还有各自的细分小类。

1、低温燃料电池电堆：低温燃料电池电堆通常在较低的温度范围内运行，一般在0摄氏度至100摄氏度之间。这类电堆的材料选择相对简单，通常使用贵金属催化剂如铂作为电极。

A、质子交换膜燃料电池(PEMFC)：使用质子交换膜作为电解质，质子是离子态的电荷携带者。PEMFC的膜中，质子是离子态的电荷携带者。在一个氢气-氧气的PEMFC中，半化学反应是。

B、碱性燃料电池(AFC)：使用碱性溶液(通常是氢氧化钾)作为电解质。低温燃料电池电堆由于其启动迅速、高效率等特点，主要应用于交通工具、便携式电子设备等领域。

2、高温燃料电池电堆：高温燃料电池电堆在较高的温度范围内运行，通常在500摄氏度至1000摄氏度之间。这类电堆的工作温度较高，需要特殊的电解质和材料来适应高温环境。

A.固体氧化物燃料电池(SOFC)：使用固体氧化物作为电解质。SOFC必须工作在高温环境(600℃)，由于高效率以及燃料的灵活多样，这种燃料电池在固定式应用上比较有吸引力。

B.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)：使用熔融碳酸盐作为电解质。高温燃料电池电堆由于其高效率和适应高温的特点，主要应用于发电厂、船舶推进等领域。

氢燃料电池电堆如何组装

氢燃料电池电堆的组装是一个复杂的过程，涉及到多个关键步骤和技术要点。以下是组装流程的主要步骤及其注意事项：

物料准备：准备所需的零部件，如端板、绝缘板、集流板、单电池（包含双极板和MEA）、密封垫片等。确保所有零部件的质量符合标准，特别是MEA、BPP等核心部件的可追溯性，可以通过引入Barcode系统等方式管理。

堆叠和预装配：将下端板、绝缘板和集流板放在组装工作台上定位好。按照MEA、BPP（含密封垫片）、MEA、BPP的顺序依次堆叠，直至达到设计所需的层数。注意保证各个零部件之间的紧密贴合和对齐，以避免影响电堆的工作性能。压缩：使用万能材料试验机或伺服压力机对电堆施加压紧力。根据电堆的特性，设置合适的压力、压实时间和稳定压力等参数，确保各个零部件紧密贴合。

张紧：安装螺杆或其他紧固件，保持电堆的压紧状态。

泄漏测试：完成压紧后，进行气密性检测，确保没有泄漏。

定型装配：在保持压力的情况下，安装好螺杆等压缩力保持装置。

活化和测试：最终进行电堆的活化和性能测试，确保其正常运行。在整个组装过程中，还需要注意：工作环境应为无尘室，组件厚度精度要小于10µm。每个单体电池的厚度约为1~2mm。组件定位的精准性，避免任何损坏。

氢燃料电池电堆的优势

氢燃料电池电堆具有以下几项显著优点：

无污染：氢燃料电池通过电化学反应产生能量，不会像传统燃烧方式那样释放二氧化碳（COx）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等有害气体。

低噪音：运行时噪音约为55分贝，相当于人们正常交谈的水平，这使其适用于室内安装或对外界噪音有严格限制的场合。

高效能：氢燃料电池可以直接将化学能转换为电能，其发电效率可以达到50%以上。

高效率和低热损耗：氢燃料电池作为一种将化学能直接转换成电能的技术，其发电效率通常在40%-50%之间。

燃料电池的应用领域

氢燃料电池电堆作为一种清洁能源技术，其应用领域广泛，主要包括以下几个方面：

1. 新能源汽车

氢燃料电池电堆在新能源汽车领域有着广泛的应用。例如，全国最大功率氢燃料电池电堆项目落户宁乡，产品主要应用于新能源重卡汽车2。此外，多家企业已开发出200kW+的燃料电池电堆，包括未势能源300kW石墨板电堆，新源动力200kW燃料电池电堆模块HYMOD-200M7，氢璞创能200kW金属板电堆和最大功率达到340kW的第六代碳复合板电堆(HV系列石墨板电堆)等等。

2. 发电领域

氢燃料电池电堆还可以用于发电领域。使用氢燃料动力电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不要进行燃烧，能量转换率可达60%~80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

3. 贮氢材料

氢的化学特性活跃，它可以与许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后，形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解，并把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。

4. 备用电源和大型无人机

骥翀氢能成立于2018年12月，致力于将自主知识产权的国产高可靠性低成本车用燃料电池电堆产品不断推向市场，并在此基础上拓展到备用电源、大型无人机等应用领域。

5. 恶劣环境下的应用

国鸿氢能新一代石墨板电堆--鸿芯GIII电堆实现单堆输出功率超过200kW，体积比比功率密度超过4.5kW/L，低温环境适应性极强，可在零下35度低温启动，恶劣环境适应性极强，满足矿山(渣土、煤炭、石材、铁矿)、高原、高温、风沙等恶劣环境场景的使用要求;寿命长，使用寿命超过30000小时。

氢燃料电池电堆相关企业

氢燃料电池电堆生产企业有很多，氢燃料电池电堆制造领域的竞争格局异常激烈。各家公司都试图在技术的前沿站稳脚跟。中国企业在这一领域迅速崛起，凭借政府的扶持政策和国内庞大的市场需求，它们正在积极扩大产能、提升技术实力。如潍柴动力、国鸿氢能等，它们在燃料电池核心零部件的自主研发上取得了显著进展，不断推动产业链的完善。

与此同时，欧洲和北美的企业也并未停下创新的脚步。他们利用丰富的科研资源和雄厚的资金实力，持续推动氢燃料电池技术的革新。西门子、霍尼韦尔等国际巨头在氢燃料电池电堆的研发上投入巨资，力图保持其在行业中的领先地位。  

国氢科技 ：

国家电投集团氢能科技发展有限公司简称：国氢科技，于2017年5月注册成立，位于北京市昌平区未来科学城南区国家电投集团创新基地，是由国家电投批准成立的氢能产业科技型企业。产品研发：氢燃料电池技术，制储氢关键技术，氢燃料电池动力系统等技术的研发和关键设备与材料部件制造。  

航天氢能 ：

航天氢能（上海）科技有限公司是由上海空间电源研究所基于六十年航天电源工程经验和二十余年燃料电池技术积淀，联合上下游优势产业链企业共同发起成立，致力发展成为氢电综合能源解决方案引导者和成套设备供应服务商。公司掌握自主知识产权燃料电池电堆及金属双极板、膜电极组件等关键技术，已建成年产能100MW的燃料电池自动化生产线，产品涵盖1kW到200kW不同系列燃料电池产品。  

明天氢能 ：

安徽明天氢能科技股份有限公司是一家燃料电池研发制造的高新技术企业，拥有燃料电池电堆与系统自主核心技术与完全自主知识产权，拥有国内燃料电池领域唯一的衣宝廉院士工作站，并形成以中科院大化所、同济大学为技术来源的成建制一流研发团队，产品性能达到国内领先、国际先进水平。公司成功开发出商业化的金属双极板的燃料电池电堆，其体积比功率高于3.0kW/L；电堆功率范围覆盖20-100kW；能源利用效率高，氢气利用率大于90%。

捷氢科技 ：

上海捷氢科技股份有限公司（简称"捷氢科技"）成立于2018年6月27日，为行业提供燃料电池产品及工程服务，已完成多款燃料电池电堆和燃料电池系统的产品开发，功率涵盖6kW~260kW，广泛应用于乘用车、城市客车、公路客车、轻中重型卡车、叉车、拖车等诸多领域，并可扩展应用于分布式发电、热电联供和船舶、航空等非车用领域。  

神力科技 ： 

上海神力科技有限公司成立于1998年，是国家科技部重点培育、上海市各级政府重点支持的民营新能源高新技术企业，公司以研发、生产及销售燃料电池电堆及生产及销售燃料电池测试设备为主要业务活动，是国内燃料电池技术研发和产业化的先行者。  

氢璞创能 ： 

氢璞创能聚焦燃料电池电堆的研发、生产和销售，是国内为数不多的拥有核心技术自主知识产权及产业化技术的燃料电池电堆厂家，也是国内首个自主知识产权电堆自动化生产线的缔造者新源动力 ：

新源动力股份有限公司（以下简称“新源动力”）是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业。掌握了燃料电池电堆及零部件正向开发、批量制造工艺的核心技术，是中国氢燃料电池技术商业化实践的引领者。 

潍柴动力 ： 

潍柴动力股份有限公司（HK2338,SZ000338）成立于2002年，由潍柴控股集团有限公司作为主发起人、联合境内外投资者创建而成，是中国内燃机行业在香港H股上市的企业。公司氢燃料电池产品覆盖50-200kW，最高效率可达62%，电堆体积功率密度可达4kW/L，可实现-30℃无辅热低温启动，系统成本大幅降低。 

国鸿氢能 ：

广东国鸿氢能科技股份有限公司坐落在广东省云浮市，成立于2015年6月，是一家以氢燃料电池为核心产品的高科技企业，致力于为社会提供优质的氢燃料电池产品和完善的系统解决方案。2017年，公司建成全球规模领先的氢燃料电池电堆生产基地。 

雄韬电源 ：

深圳市雄韬电源科技股份有限公司是一家集电池研发、生产、销售、服务于一体的高新技术企业。公司已经拥有全国最大功率氢燃料电池发动机、第一条自动化电堆生产线等，完成了膜电极、燃料电池电堆、燃料电池发动机系统、整车运营等氢能产业链关键环节布局。

素材来源：伺服压力机 氢眼所见等