提問

什么是質子交換膜燃料電池？

回答

質子交換膜燃料電池主要由端板、流場板、膜電極及密封元件組成。流板場通常由石墨及合金材料制成，經銑床加工成具有一定形狀的流體通道，其流道設計和加工工藝與PEMFC的性能密切相關。在陽極區為氫燃料發生氧化的場所，陰極區為氧氣（空氣）發生還原的場所，陰陽極均存在促進電極電化學反應的催化劑，質子交換膜為電解質。

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質子交換膜燃料電池工作原理？

回答

PEMFC工作原理為電解水的逆反應，在工作時，氫氣在陽極區進入陽極流道，再通過氣體擴散層到達陽極催化層，并在催化劑的作用下發生氧化反應，得到質子預電子，在電勢和化學勢的作用下，質子通過交換膜到達陰極催化層，同時，電子通過外電路由陽極運動到陰極，產生電流，二者與氧氣在陰極催化層中發生還原反應產生水分子，并排出FEMFC。

Q

質子交換膜燃料電池膜電極

膜電極是其核心部件，是燃料電池和水電解中反應發生、多相物質傳輸以及能量轉化的場所。MEA的結構主要包括氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）、催化層（Catalytic Layer，CL）和質子交換膜（Proton Exchange Membrance，PEM）；其中GDL能夠有效儲存反應所需的燃料，確保電子和質子在電極和雙極板之間的接觸，同時為反應過程中產生水的排除提供通道；CL中的催化劑用來提高電極表面的化學反應速率；PEM需要隔絕氫氣與氧氣，防止氣體透過膜發生混合反應，此外使得氫離子通過膜到達陰極與氧氣發生反應。

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氣體擴散層的作用？

回答

在高電流密度下，陰極更容易產生液態水，導致GDL中氣態反應物與液態水耦合流動，使傳質過程中變得復雜，所以產生的水需及時通過GDL排出，避免CL發生水淹。在電化學反應過程中，MEA需要滿足燃料連續不斷傳輸及時排除產生的水及質子和電子的高效傳輸等要求。在燃料電池中，GDL位于氣體流場和催化層之間，其主要功能是收集電流、傳導氣體和排出反應產物水。理想的擴散層應滿足3個條件：導電性、透氣性和排水性。

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什么是雙極板？

回答

雙極板是質子交換膜燃料電池組中除膜電極外的第二個關鍵部位，它的作用主要體現在分隔氧化劑和燃料、傳導電流、支撐膜電極以及保持電池結構穩定性，雙極板必須具有阻氣性、導電性、耐蝕性和力學強度。雙極板目前存在的關鍵問題：如何實現涂層材料的導電性和耐蝕性的合理匹配，即在保證合理導電性的前提下，實現高的耐蝕性，保障整個體系的服役壽命。

質子交換膜燃料電池堆正常工作時，氫氣和氧氣通過進氣口進入電堆氣體管道，經導流區域進入雙極板微流道中，氣體經雙極板傳輸以及擴散傳輸至膜電極組件中，在催化層上發生電化學反應。

Q

質子交換膜燃料電池電堆

電堆的研發主要集中在提高輸出性能（提高體積比功率密度）、降低電堆組件成本、提高電堆耐久性和延長電堆的使用壽命。一方面，使用超薄質子交換膜降低膜電極的歐姆損失、使用新型Pt基催化劑提高電化學活性從而提高膜電極的輸出性能，例如：日本豐田公司開發的MIRAI一代電堆采用超薄膜電極組件（質子交換膜約10μm，陰極催化劑層約9μm，陽極催化劑層約2.3μm、陰極氣體擴散層約160μm、陽極氣體擴散層約150μm），使用PtCo/C催化劑，提高電堆輸出功率。另一方面，通過改善電堆的結構組成，采用高強度端板材料、超薄金屬雙極板，降低電堆體積，進一步提高電堆的體積比功率。

電堆高的電流密度/功率密度需求對傳質/傳熱具有苛刻的要求，傳質能力是雙極板設計的重要指標之一，其主要取決于流場結構。第一種是基于傳統的槽-脊結構進行優化，例如豐田MIRAI二代的2D變徑通道，以及流道中含擋板的流場等；第二種是發展無傳統槽-脊結構的新型流場，例如MIRAI一代的3Dmesh“魚鱗狀”流道結構，以及金屬或石墨烯多孔泡沫的一體化極板流場。

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燃料電池相關企業？

回答

氣體擴散層生產企業：德國SGL公司、日本Toray公司、德國Freudenberg公司、美國Avcarb公司、韓國JNTG公司、中國上海河森公司。

目前，國內的電堆供應商主要包括：新源動力、上汽捷氫、氫璞創能、明天氫能、雄韜氫能等，其發布的電堆的額定功率均已超100KW。

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質子交換膜燃料電池未來發展？

回答

根據日本新能源技術綜合開發機構（JapanNEDO）的預測數據，2030年和2040年的車用質子交換膜燃料電池堆的功率密度目標分別為6.0 kW/L和9.0 kW/L。通過測算，若電堆密度要達到6.0 kW/L（計算板端體積），則電流密度為3 A/cm2時，單片電壓還需保持在0.8 V以上；電流密度為4 A/cm2時，單片電壓還需保持在0.7 V以上。更進一步，若電堆功率密度要達到最終目標9.0 kW/L（計算板端體積），則電流密度為4 A/cm2時，單片電壓還需保持在0.9 V以上；電流密度為5 A/cm2時，單片電壓還需保持在0.8 V以上。如此高的電流密度/功率密度需求對傳質/傳熱等性能提出了較為嚴苛的要求。根據JapanNEDO的預測，到2040年，PEMFC的工作溫度會從目前的70~90℃提升至120℃，高溫PEMFC是未來的必然趨勢。一方面，當工作溫度超過100℃時，“水淹”現象可以通過蒸發得到很大程度緩解；另一方面，提高工作溫度可加大PEMFC與環境的溫差，利于反應熱導出。