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燃料电池电堆的八大件

2022-12-10 来源:氢领域 浏览数:950

氢的产业风口愈吹愈劲,各路资本正加强产业布局。不过,氢能装备中有八项卡脖子技术被认为是限制整个氢能行业的关键技术,分别是氢燃料电池中的催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、电堆以及上车之后的系统中的空气压缩机、氢循环泵。

氢的产业风口愈吹愈劲,各路资本正加强产业布局。不过,氢能装备中有八项卡脖子技术被认为是限制整个氢能行业的关键技术,分别是氢燃料电池中的催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、电堆以及上车之后的系统中的空气压缩机、氢循环泵。

一、燃料电池电堆
 
 
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。
 
二、膜电极
 
 
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。
 
三、质子交换膜
 
 
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。
 
四、双极板
 
 
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。
 
五、催化剂
 
 
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。
 
六、气体扩散层/碳纸
 
 
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。
 
七、空气压缩机
 
 
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。
 
八、氢循环泵
 
 
氢气循环泵的主要作用:
 
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。
 
阅读上文 >> 【干货】我国绿氢供应体系建设思考与建议
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