什么是燃料电池？电堆是怎么工作的？

中国燃料电池产业走了一条和日本大相径庭的路，也是一条适合中国国情的路，以物流车和客车为突破点来发展燃料电池产业，2017年完成1000台左右客车和物流车，2018年突破3000-5000台规模，这是目前中国燃料电池汽车的发展现状。

什么是燃料电池？

氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。它的存在优势在于：

无污染

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。

无噪声

燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。

高效率

燃料电池的发电效率可以达到50%以上。

应用领域

20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的"阿波罗"飞船就工作示意图安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

随着制氢技术的发展，氢燃料电池离我们的生活越来越近。到那时，氢气将像煤气一样通过管道被送入千家万户，每个用户则采用金属氢化物的贮罐将氢气贮存起来，然后连接氢燃料电池，再接通各种用电设备。

电堆是制约燃料电池发展的关键之一

而电堆则成为中国燃料电池产业发展的关键因素之一，低成本、高性能、批量供应的国产电堆是燃料电池汽车成本下降从而与传统汽车竞争的关键。

为什么？

1）从成本上看，电堆占燃料电池系统的成本一半，是 FCV里单一价格最高的部件，随着产能扩张，未来电堆成本有望在下降 50%以上；

2）从性能上看，电堆性能是燃料电池系统乃至整车性能的决定因素；

3）从技术上看，电堆是整个系统里技术含量最高部分，无论从流道设计、催化剂制备、MEA合成都有相当门槛。

电堆是怎么工作的？

在原理上相当于水电解的“逆”装置。阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。

电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

阳极(负极)：2H2→4H++4e-

阴极(正极)：O2+4H++4e-→2H2O

由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。

以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。

国产燃料电池零部件的发展

膜电极

膜电极组件（membraneelectrodeassembly，MEA）是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一。

目前，国际上已经发展了3代MEA技术路线：一是把催化层制备到扩散层上（GDE），通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟；二是把催化层制备到膜上（CCM），与第 1种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性；三是有序化的MEA，把催化剂如 Pt制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。目前进口产品与国产产品并存，随着新的业者加入，国产比例将不断提高。

质子交换膜

质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反应气体的作用。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。

国内产品从批次品质看达到要求，由于供应链的原因并未占据主流份额，随着国内产业发展，国产质子交换膜的替代将加快。

极板

燃料电池双极板（bipolar plate，BP）的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性（pH=2~3）、电位（E=~1.1 V）、湿热（气水两相流，~80℃）环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性；产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。

目前石墨极板有企业批量供货，金属极板也有部分有企业批量生产。国内市场目前以商用车为主导，石墨极板也许是一段时间性价比合适的选择。

催化剂

是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。催化剂主要采用Pt/C,Pt合金/C，载体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。

目前催化剂来源以国际大厂为主，国内有企业开始进入。催化剂方面，之前担心的铂的供应问题随着单耗的迅速下降也已不成问题。

气体扩散层

在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。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。气体扩散层GDL通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。

审核编辑 ：李倩