燃料電池電堆是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心，由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

 

 

 

作為燃料電池電堆的“心臟”，膜電極很大程度上決定著電堆的性能水平。其結(jié)構(gòu)上由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層三大基礎(chǔ)部件構(gòu)成，是多項物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)唯一場所，決定著電堆性能、壽命和成本的上限，高性能、長壽命、低成本的膜電極對于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。目前膜電極占據(jù)電堆成本的60-70%左右，其成本主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。

 

 

 

質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，縮寫為PEM）是一種離子聚合物的半透膜，設(shè)計用于質(zhì)子傳導(dǎo)隔絕氧或氫。能傳遞質(zhì)子但對電子絕緣，起到傳導(dǎo)氫離子、隔絕燃料和氧化劑、阻斷電子的作用。因此，PEM決定了燃料電池的性能、穩(wěn)定性和耐久性，必須具備以下六種基本性能：質(zhì)子導(dǎo)電率、穩(wěn)定性、透氣性、吸水性、水電滲透性以及力學(xué)強(qiáng)度。

 

 

 

燃料電池雙極板的作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池（ PEMFC） 的重要組成部分，質(zhì)量約占電堆的 80% ，成本約占 38% ，幾乎占據(jù)了電堆的所有體積。因此，其材料的選擇與 PEMFC 電化學(xué)性能密切相關(guān)，主要集中在石墨、金屬和聚合物復(fù)合材料方面。

 

 

 

催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，分別是陽極催化劑和陰極催化劑。陽極催化劑催化反應(yīng)為H氧化反應(yīng)，陰極催化劑反應(yīng)為O還原反應(yīng)。H氧化反應(yīng)經(jīng)歷的是兩電子反應(yīng)，而O還原反應(yīng)經(jīng)歷的是四電子反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移步驟多且復(fù)雜，制約整個反應(yīng)速度。良好的催化劑應(yīng)該具有良好的催化活性、高質(zhì)子傳導(dǎo)率、高電子傳導(dǎo)率和良好的水管理能力、氣體擴(kuò)散能力。

 

 

 

氣體擴(kuò)散層位于流場和催化劑層之間，是支撐催化劑層和收集電流的重要結(jié)構(gòu)，同時為電極反應(yīng)提供氣體、質(zhì)子、電子和水等多個通道，對燃料電池的耐久性和可靠性具有非常重要的意義。

 

 

 

燃料電池工作系統(tǒng)的運行離不開空壓機(jī)對其提供的壓縮空氣，空壓機(jī)的性能直接影響著整個燃料電池系統(tǒng)的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標(biāo)。

 

 

 

 

將燃料電池堆出口未反應(yīng)的氫氣再循環(huán)至燃料電池堆入口，從而提高氫氣的利用率以及用氫安全；

 

將燃料電池堆內(nèi)部由于電化學(xué)反應(yīng)生成的水循環(huán)至氫氣入口，起到給進(jìn)氣加濕的作用，改善燃料電池堆內(nèi)的水潤水平，提高了水管理能力，進(jìn)而提升燃料電池堆的輸出特性；

 

由于氫氣循環(huán)泵對進(jìn)氣的加濕作用，使得氫氣入口省去了額外的加濕系統(tǒng)，使得燃料電池系統(tǒng)更加精簡。

 

氫氣循環(huán)泵雖然本質(zhì)上是一個氣泵，但由于其特殊的應(yīng)用場景，導(dǎo)致氫氣循環(huán)泵的開發(fā)面臨很多技術(shù)難題。