质子交换膜燃料电池电堆的构成与性能的研究

电堆是燃料电池系统的功能核心，包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板、集电板、密封组件、端板等部件。 电堆是发生电化学反应的地方。 由于单个燃料电池单元的输出功率较小，通常将多个燃料电池单元串联堆叠形成电堆，以提高整体输出功率。 该堆栈由交替层压的双极板（BP）和膜电极（MEA）组成。 密封件嵌入在每个单体之间。 它们被前后端板压紧，然后用螺钉拧紧。

图1 质子交换膜燃料电池原理图

双极板和膜电极组件是燃料电池电堆的核心部件，分别占成本的23%和64%。 膜电极组件包含气体扩散层(GDL)、催化剂层(CL)和质子交换膜(PEM)。 引入的氢气和氧气在MEA中发生氧化还原反应以产生电能。

图2 燃料电池堆由双极板和膜电极交替组合而成

02 膜电极

膜电极（MEA）由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成。 它是燃料电池发电的关键核心部件。 它也是多相物质传输和电化学反应的场所，决定了燃料电池的性能、寿命和成本。 。 主要性能指标包括单位表面积的输出功率（功率密度）、贵金属含量（单位功率输出的铂金含量）、寿命和成本。

膜电极生产目前采用第二代生产技术——催化剂涂层（CCM）技术，具有卷对卷连续高速生产能力。 国际上，日本、美国、欧洲、加拿大等国家和地区凭借多年的技术积累，在膜电极的基础研究和制备技术方面处于领先地位。 目前，国际上最先进的商业化膜电极产品的功率密度在1.4~1.5W/cm2范围内，国内量产的膜电极功率密度为1.0~1.2W/cm2。

国外膜电极供应商以及丰田、本田等乘用车企业已经拥有膜电极批量自动化生产线，单线年产能在数千至10000平方米不等。 由于国产膜电极存在诸多设计和制造缺陷，所生产的膜电极的功率密度、耐久性、贵金属铂负载量等技术参数有待进一步提高，所用的关键部件材料大部分仍依赖进口。

图3 国内主要质子交换膜企业分布

全球从事质子膜研究的主要公司有美国科慕、陶氏化学、3M公司、戈尔公司、比利时索尔维公司、日本旭硝子玻璃公司、旭化成公司，以及东岳氢能、潘氏公司等。亚洲在我的国家。 围头等十余家企业。 其中，美国戈尔公司在增强薄膜方面拥有知识产权优势。 目前应用最广泛的是戈尔系列膜（GORE-?PEM）。 目前全球市场占有率超过90%，年出货量达数十台。 面积达10000平方米，丰田MIRAI、现代NEXO、本田均采用戈尔产品。 东岳氢能拥有完整的全氟磺酸树脂产业链。 是继戈尔、科慕两家外资公司之后国内市场份额最大的公司。 原料、中间体、单体、聚合物膜品种齐全。 产业链，同时建成了全国唯一的全氟酸质子膜树脂合成生产线。 目前已实现量产、批量供货，但产品可靠性、寿命、规模化生产和应用体验还有待提高。

图4 不同类型质子交换膜的比较

在燃料电池中，催化剂的作用是分解氢气和氧气，进行电化学反应来发电。 目前商业化的催化剂为铂碳催化剂，稀有金属铂的高成本是燃料电池商业化的主要障碍之一。国外催化剂的用量已达到

图5 燃料电池催化剂技术对比

气体扩散层(GDL)层位于气体流场层与催化层之间。 它由碳纸和防水剂聚四氟乙烯材料组成，满足高导电率、高强度、高孔隙率、耐腐蚀、结构致密和平坦的表面，对支撑膜电极、收集电流、传导气体和控制反应水（气）和热量。

图6 国产复写纸与国际同类产品对比

国外厂商如日本的东丽、三菱，德国、美国的西格里、科德宝，韩国的JNTG等都实现了气体扩散层的规模化生产，并且都有许多适应不同应用场景的产品销售。

目前，我国气体扩散层技术仍在探索之中。 碳纸材料的实验室技术可以对标一些国际先进产品的水平，但距离实现产品规模化生产还有一定差距。 国内知名的气体扩散层公司主要有台湾碳能、普氢能源、江苏氢能、江苏庆能、上海和森电气等。气体扩散层的成本主要以加工费为主。 规模化生产将带来成本的大幅降低。 因此，大规模生产是降低气体扩散层成本的关键。

03 双极板

双极板的作用是传导电子、分配反应气体、带走生成的水。 从功能上来说，要求双极板材料是电和热的良导体，具有一定的强度，并具有气体密度。 双极板需要在燃料电池的酸性、湿热环境下耐腐蚀，并与其他燃料电池部件和材料具有较高的兼容性。 在产品化方面，双极板材料必须易于加工且成本低廉。

图7 双极板分类

目前主要产品应用是石墨板，金属双极板是未来趋势。 燃料电池常用的双极板材料有石墨碳板、复合双极板和金属双极板。 目前石墨板是应用最广泛的技术，主要是由于其良好的化学稳定性和导电性。 然而，由于车辆空间限制（尤其是汽车），燃料电池需要具有更高的功率密度。 因此，具有更好的导电性、导热性和加工性能以及更低的成本的薄型金属双极板成为当前的热门技术。 目前国内部分石墨板材企业具备量产能力，如上海宏丰、杭州新能石墨等，但在金属板材方面取得突破的企业并不多。

图7 几种双极板优缺点对比