科普 | 什么是氫燃料電池電堆？

隨著全球對可持續能源解決方案的需求日益增長，氫燃料電池技術正逐漸成為能源領域的一個熱點。氫燃料電池電堆作為這一技術的核心組件，扮演著至關重要的角色。昨天氫能匯詳細介紹了什么是燃料電池，今天我們要解構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能直接轉化為電能的裝置，也被稱為電化學發電器。它是氫燃料電池動力系統的核心部分，通過電化學反應發生電能輸出。電堆是發生電化學反應的場所，也是氫燃料電池動力系統核心部分。它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，即構成氫燃料電池電堆。

氫燃料電池電堆的構成

氫燃料電池電堆主要由雙極板、膜電極、質子交換膜、催化劑和氣體擴散層構成。

1 、雙極板雙極板是電堆的核心結構零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，占整個燃料電池60%的重量和～20%的成本，其性能優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）收集和傳導電流，要求電導率高；（2）排除反應生成的水和熱，要求導熱性好、疏水性高、熱容?。唬?）酸性環境，要求耐腐蝕性；（4）阻隔燃料，要求良好的氣密性；（5）使用壽命，要求抗振動機沖擊，（6）密度小，減輕重量；（7）成本低、工藝簡單。

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。膜電極組件由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層（氣體擴散層）組成。

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

4 、催化劑催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，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（2020年）是下降到0.1g/kW左右；長期目標是催化劑用量達到傳統內燃機尾氣凈化器貴金屬用量水平。

5、 氣體擴散層氣休擴散層（GDL）位于流場和膜電極之間，主要作用是為參與反應的氣體和產生的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。因此，GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結構、良好的導電性、高穩定性。

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反應。在工作過程中，氫氣和氧氣分別進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。這個過程是通過催化劑加速的，以提高反應速率。

氫燃料電池電堆工作原理示意圖

在陽極和陰極之間，由于質子交換膜的存在，氫離子（質子）可以從陽極穿過質子交換膜到達陰極，而電子則無法直接通過膜，只能通過外部電路流動。當電子在外電路中流動時，就會產生直流電。因此，燃料電池電堆實際上相當于一個直流電源，陽極為負極，陰極為正極。整個氫電堆的輸出電壓是單個電池電壓的總和，通常在0.6到0.8伏特之間。通過串聯和并聯多個單體電池，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運行，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簡單，通常使用貴金屬催化劑如鉑作為電極。

A、質子交換膜燃料電池(PEMFC)：使用質子交換膜作為電解質，質子是離子態的電荷攜帶者。PEMFC的膜中，質子是離子態的電荷攜帶者。在一個氫氣-氧氣的PEMFC中，半化學反應是。

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。低溫燃料電池電堆由于其啟動迅速、高效率等特點，主要應用于交通工具、便攜式電子設備等領域。

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運行，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，需要特殊的電解質和材料來適應高溫環境。

A.固體氧化物燃料電池(SOFC)：使用固體氧化物作為電解質。SOFC必須工作在高溫環境(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。高溫燃料電池電堆由于其高效率和適應高溫的特點，主要應用于發電廠、船舶推進等領域。

氫燃料電池電堆如何組裝

氫燃料電池電堆的組裝是一個復雜的過程，涉及到多個關鍵步驟和技術要點。以下是組裝流程的主要步驟及其注意事項：

物料準備：準備所需的零部件，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量符合標準，特別是MEA、BPP等核心部件的可追溯性，可以通過引入Barcode系統等方式管理。

堆疊和預裝配：將下端板、絕緣板和集流板放在組裝工作臺上定位好。按照MEA、BPP（含密封墊片）、MEA、BPP的順序依次堆疊，直至達到設計所需的層數。注意保證各個零部件之間的緊密貼合和對齊，以避免影響電堆的工作性能。壓縮：使用萬能材料試驗機或伺服壓力機對電堆施加壓緊力。根據電堆的特性，設置合適的壓力、壓實時間和穩定壓力等參數，確保各個零部件緊密貼合。

張緊：安裝螺桿或其他緊固件，保持電堆的壓緊狀態。

泄漏測試：完成壓緊后，進行氣密性檢測，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。

活化和測試：最終進行電堆的活化和性能測試，確保其正常運行。在整個組裝過程中，還需要注意：工作環境應為無塵室，組件厚度精度要小于10μm。每個單體電池的厚度約為1~2mm。組件定位的精準性，避免任何損壞。

氫燃料電池電堆的優勢

氫燃料電池電堆具有以下幾項顯著優點：

無污染：氫燃料電池通過電化學反應產生能量，不會像傳統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：運行時噪音約為55分貝，相當于人們正常交談的水平，這使其適用于室內安裝或對外界噪音有嚴格限制的場合。

高效能：氫燃料電池可以直接將化學能轉換為電能，其發電效率可以達到50%以上。

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

燃料電池的應用領域

氫燃料電池電堆作為一種清潔能源技術，其應用領域廣泛，主要包括以下幾個方面：

1. 新能源汽車

氫燃料電池電堆在新能源汽車領域有著廣泛的應用。例如，全國最大功率氫燃料電池電堆項目落戶寧鄉，產品主要應用于新能源重卡汽車2。此外，多家企業已開發出200kW+的燃料電池電堆，包括未勢能源300kW石墨板電堆，新源動力200kW燃料電池電堆模塊HYMOD-200M7，氫璞創能200kW金屬板電堆和最大功率達到340kW的第六代碳復合板電堆(HV系列石墨板電堆)等等。

2. 發電領域

氫燃料電池電堆還可以用于發電領域。使用氫燃料動力電池發電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不要進行燃燒，能量轉換率可達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分解，并把所吸收的氫釋放出來，這就構成了一種良好的貯氫材料。

4. 備用電源和大型無人機

驥翀氫能成立于2018年12月，致力于將自主知識產權的國產高可靠性低成本車用燃料電池電堆產品不斷推向市場，并在此基礎上拓展到備用電源、大型無人機等應用領域。

5. 惡劣環境下的應用

國鴻氫能新一代石墨板電堆--鴻芯GIII電堆實現單堆輸出功率超過200kW，體積比比功率密度超過4.5kW/L，低溫環境適應性極強，可在零下35度低溫啟動，惡劣環境適應性極強，滿足礦山(渣土、煤炭、石材、鐵礦)、高原、高溫、風沙等惡劣環境場景的使用要求;壽命長，使用壽命超過30000小時。

氫燃料電池電堆相關企業

氫燃料電池電堆生產企業有很多，氫燃料電池電堆制造領域的競爭格局異常激烈。各家公司都試圖在技術的前沿站穩腳跟。中國企業在這一領域迅速崛起，憑借政府的扶持政策和國內龐大的市場需求，它們正在積極擴大產能、提升技術實力。如濰柴動力、國鴻氫能等，它們在燃料電池核心零部件的自主研發上取得了顯著進展，不斷推動產業鏈的完善。

與此同時，歐洲和北美的企業也并未停下創新的腳步。他們利用豐富的科研資源和雄厚的資金實力，持續推動氫燃料電池技術的革新。西門子、霍尼韋爾等國際巨頭在氫燃料電池電堆的研發上投入巨資，力圖保持其在行業中的領先地位。  

國氫科技 ：

國家電投集團氫能科技發展有限公司簡稱：國氫科技，于2017年5月注冊成立，位于北京市昌平區未來科學城南區國家電投集團創新基地，是由國家電投批準成立的氫能產業科技型企業。產品研發：氫燃料電池技術，制儲氫關鍵技術，氫燃料電池動力系統等技術的研發和關鍵設備與材料部件制造。  

航天氫能 ：

航天氫能（上海）科技有限公司是由上?？臻g電源研究所基于六十年航天電源工程經驗和二十余年燃料電池技術積淀，聯合上下游優勢產業鏈企業共同發起成立，致力發展成為氫電綜合能源解決方案引導者和成套設備供應服務商。公司掌握自主知識產權燃料電池電堆及金屬雙極板、膜電極組件等關鍵技術，已建成年產能100MW的燃料電池自動化生產線，產品涵蓋1kW到200kW不同系列燃料電池產品。  

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制造的高新技術企業，擁有燃料電池電堆與系統自主核心技術與完全自主知識產權，擁有國內燃料電池領域唯一的衣寶廉院士工作站，并形成以中科院大化所、同濟大學為技術來源的成建制一流研發團隊，產品性能達到國內領先、國際先進水平。公司成功開發出商業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（簡稱"捷氫科技"）成立于2018年6月27日，為行業提供燃料電池產品及工程服務，已完成多款燃料電池電堆和燃料電池系統的產品開發，功率涵蓋6kW~260kW，廣泛應用于乘用車、城市客車、公路客車、輕中重型卡車、叉車、拖車等諸多領域，并可擴展應用于分布式發電、熱電聯供和船舶、航空等非車用領域。  

神力科技 ： 

上海神力科技有限公司成立于1998年，是國家科技部重點培育、上海市各級政府重點支持的民營新能源高新技術企業，公司以研發、生產及銷售燃料電池電堆及生產及銷售燃料電池測試設備為主要業務活動，是國內燃料電池技術研發和產業化的先行者。  

氫璞創能 ： 

氫璞創能聚焦燃料電池電堆的研發、生產和銷售，是國內為數不多的擁有核心技術自主知識產權及產業化技術的燃料電池電堆廠家，也是國內首個自主知識產權電堆自動化生產線的締造者新源動力 ：

新源動力股份有限公司（以下簡稱“新源動力”）是中國第一家致力于燃料電池產業化的股份制企業。掌握了燃料電池電堆及零部件正向開發、批量制造工藝的核心技術，是中國氫燃料電池技術商業化實踐的引領者。 

濰柴動力 ： 

濰柴動力股份有限公司（HK2338,SZ000338）成立于2002年，由濰柴控股集團有限公司作為主發起人、聯合境內外投資者創建而成，是中國內燃機行業在香港H股上市的企業。公司氫燃料電池產品覆蓋50-200kW，最高效率可達62%，電堆體積功率密度可達4kW/L，可實現-30℃無輔熱低溫啟動，系統成本大幅降低。 

國鴻氫能 ：

廣東國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品的高科技企業，致力于為社會提供優質的氫燃料電池產品和完善的系統解決方案。2017年，公司建成全球規模領先的氫燃料電池電堆生產基地。 

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、生產、銷售、服務于一體的高新技術企業。公司已經擁有全國最大功率氫燃料電池發動機、第一條自動化電堆生產線等，完成了膜電極、燃料電池電堆、燃料電池發動機系統、整車運營等氫能產業鏈關鍵環節布局。

素材來源：伺服壓力機 氫眼所見等