提问

什么是质子交换膜燃料电池？

回答

质子交换膜燃料电池主要由端板、流场板、膜电极及密封元件组成。流板场通常由石墨及合金材料制成，经铣床加工成具有一定形状的流体通道，其流道设计和加工工艺与PEMFC的性能密切相关。在阳极区为氢燃料发生氧化的场所，阴极区为氧气（空气）发生还原的场所，阴阳极均存在促进电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。

提问

质子交换膜燃料电池工作原理？

回答

PEMFC工作原理为电解水的逆反应，在工作时，氢气在阳极区进入阳极流道，再通过气体扩散层到达阳极催化层，并在催化剂的作用下发生氧化反应，得到质子预电子，在电势和化学势的作用下，质子通过交换膜到达阴极催化层，同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，产生电流，二者与氧气在阴极催化层中发生还原反应产生水分子，并排出FEMFC。

Q

质子交换膜燃料电池膜电极

膜电极是其核心部件，是燃料电池和水电解中反应发生、多相物质传输以及能量转化的场所。MEA的结构主要包括气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）、催化层（Catalytic Layer，CL）和质子交换膜（Proton Exchange Membrance，PEM）；其中GDL能够有效储存反应所需的燃料，确保电子和质子在电极和双极板之间的接触，同时为反应过程中产生水的排除提供通道；CL中的催化剂用来提高电极表面的化学反应速率；PEM需要隔绝氢气与氧气，防止气体透过膜发生混合反应，此外使得氢离子通过膜到达阴极与氧气发生反应。

提问

气体扩散层的作用？

回答

在高电流密度下，阴极更容易产生液态水，导致GDL中气态反应物与液态水耦合流动，使传质过程中变得复杂，所以产生的水需及时通过GDL排出，避免CL发生水淹。在电化学反应过程中，MEA需要满足燃料连续不断传输及时排除产生的水及质子和电子的高效传输等要求。在燃料电池中，GDL位于气体流场和催化层之间，其主要功能是收集电流、传导气体和排出反应产物水。理想的扩散层应满足3个条件：导电性、透气性和排水性。

提问

什么是双极板？

回答

双极板是质子交换膜燃料电池组中除膜电极外的第二个关键部位，它的作用主要体现在分隔氧化剂和燃料、传导电流、支撑膜电极以及保持电池结构稳定性，双极板必须具有阻气性、导电性、耐蚀性和力学强度。双极板目前存在的关键问题：如何实现涂层材料的导电性和耐蚀性的合理匹配，即在保证合理导电性的前提下，实现高的耐蚀性，保障整个体系的服役寿命。

质子交换膜燃料电池堆正常工作时，氢气和氧气通过进气口进入电堆气体管道，经导流区域进入双极板微流道中，气体经双极板传输以及扩散传输至膜电极组件中，在催化层上发生电化学反应。

Q

质子交换膜燃料电池电堆

电堆的研发主要集中在提高输出性能（提高体积比功率密度）、降低电堆组件成本、提高电堆耐久性和延长电堆的使用寿命。一方面，使用超薄质子交换膜降低膜电极的欧姆损失、使用新型Pt基催化剂提高电化学活性从而提高膜电极的输出性能，例如：日本丰田公司开发的MIRAI一代电堆采用超薄膜电极组件（质子交换膜约10μm，阴极催化剂层约9μm，阳极催化剂层约2.3μm、阴极气体扩散层约160μm、阳极气体扩散层约150μm），使用PtCo/C催化剂，提高电堆输出功率。另一方面，通过改善电堆的结构组成，采用高强度端板材料、超薄金属双极板，降低电堆体积，进一步提高电堆的体积比功率。

电堆高的电流密度/功率密度需求对传质/传热具有苛刻的要求，传质能力是双极板设计的重要指标之一，其主要取决于流场结构。第一种是基于传统的槽-脊结构进行优化，例如丰田MIRAI二代的2D变径通道，以及流道中含挡板的流场等；第二种是发展无传统槽-脊结构的新型流场，例如MIRAI一代的3Dmesh“鱼鳞状”流道结构，以及金属或石墨烯多孔泡沫的一体化极板流场。

提问

燃料电池相关企业？

回答

气体扩散层生产企业：德国SGL公司、日本Toray公司、德国Freudenberg公司、美国Avcarb公司、韩国JNTG公司、中国上海河森公司。

目前，国内的电堆供应商主要包括：新源动力、上汽捷氢、氢璞创能、明天氢能、雄韬氢能等，其发布的电堆的额定功率均已超100KW。

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质子交换膜燃料电池未来发展？

回答

根据日本新能源技术综合开发机构（JapanNEDO）的预测数据，2030年和2040年的车用质子交换膜燃料电池堆的功率密度目标分别为6.0 kW/L和9.0 kW/L。通过测算，若电堆密度要达到6.0 kW/L（计算板端体积），则电流密度为3 A/cm2时，单片电压还需保持在0.8 V以上；电流密度为4 A/cm2时，单片电压还需保持在0.7 V以上。更进一步，若电堆功率密度要达到最终目标9.0 kW/L（计算板端体积），则电流密度为4 A/cm2时，单片电压还需保持在0.9 V以上；电流密度为5 A/cm2时，单片电压还需保持在0.8 V以上。如此高的电流密度/功率密度需求对传质/传热等性能提出了较为严苛的要求。根据JapanNEDO的预测，到2040年，PEMFC的工作温度会从目前的70~90℃提升至120℃，高温PEMFC是未来的必然趋势。一方面，当工作温度超过100℃时，“水淹”现象可以通过蒸发得到很大程度缓解；另一方面，提高工作温度可加大PEMFC与环境的温差，利于反应热导出。