燃料电池电堆的八大件

 

 

燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心，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，即构成燃料电池电堆。

 

 

 

作为燃料电池电堆的“心脏”，膜电极很大程度上决定着电堆的性能水平。其结构上由质子交换膜、催化剂和气体扩散层三大基础部件构成，是多项物质传输和电化学反应唯一场所，决定着电堆性能、寿命和成本的上限，高性能、长寿命、低成本的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有重要的意义。目前膜电极占据电堆成本的60-70%左右，其成本主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层构成。

 

 

 

质子交换膜（proton exchange membrane，缩写为PEM）是一种离子聚合物的半透膜，设计用于质子传导隔绝氧或氢。能传递质子但对电子绝缘，起到传导氢离子、隔绝燃料和氧化剂、阻断电子的作用。因此，PEM决定了燃料电池的性能、稳定性和耐久性，必须具备以下六种基本性能：质子导电率、稳定性、透气性、吸水性、水电渗透性以及力学强度。

 

 

 

燃料电池双极板的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。双极板作为质子交换膜燃料电池（ PEMFC） 的重要组成部分，质量约占电堆的 80% ，成本约占 38% ，几乎占据了电堆的所有体积。因此，其材料的选择与 PEMFC 电化学性能密切相关，主要集中在石墨、金属和聚合物复合材料方面。

 

 

 

催化剂是质子交换膜燃料电池的核心部件，分别是阳极催化剂和阴极催化剂。阳极催化剂催化反应为H氧化反应，阴极催化剂反应为O还原反应。H氧化反应经历的是两电子反应，而O还原反应经历的是四电子反应，电子转移步骤多且复杂，制约整个反应速度。良好的催化剂应该具有良好的催化活性、高质子传导率、高电子传导率和良好的水管理能力、气体扩散能力。

 

 

 

气体扩散层位于流场和催化剂层之间，是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道，对燃料电池的耐久性和可靠性具有非常重要的意义。

 

 

 

燃料电池工作系统的运行离不开空压机对其提供的压缩空气，空压机的性能直接影响着整个燃料电池系统的压缩比、效率、噪声等重要性能指标。

 

 

 

 

将燃料电池堆出口未反应的氢气再循环至燃料电池堆入口，从而提高氢气的利用率以及用氢安全；

 

将燃料电池堆内部由于电化学反应生成的水循环至氢气入口，起到给进气加湿的作用，改善燃料电池堆内的水润水平，提高了水管理能力，进而提升燃料电池堆的输出特性；

 

由于氢气循环泵对进气的加湿作用，使得氢气入口省去了额外的加湿系统，使得燃料电池系统更加精简。

 

氢气循环泵虽然本质上是一个气泵，但由于其特殊的应用场景，导致氢气循环泵的开发面临很多技术难题。