燃料电池电堆模块详解 / 四六文摘

之前小编发完研学丨燃料电池电堆的组装这篇文章后，许多读者朋友希望能够更详细更全面地科普讲解一下常见商用燃料电池电堆模块从内到外的结构，因此这里结合前面几期的内容一起，来更详细地向大家从内到外讲解一下燃料电池电堆模块。

燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA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。燃料电池电堆是发生电化学反应场所，为燃料电池系统（或燃料电池发动机）核心部分。电堆工作时，氢气和氧气分别经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

上述对燃料电池电堆的解释是不是比较抽象？下面小编就带领大家具体、直观地认识一下燃料电池的电堆模块。

1. 燃料电池单池

燃料电池单池包括七层结构，最中间一层为质子交换膜（又称电解质膜），然后两侧对称地依次为阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层和阴/阳极双极板，其工作原理如下所示。

2. 电堆堆栈结构

对于燃料电池来说，由一组电极和电解质板构成的燃料电池单池输出电压较低，电流密度较小，为获得高的电压和功率，通常将多个单电池串联，构成电堆堆栈。相邻单电池间用双极板隔开，双极板用来串联前后单电池和提供单电池的气体流路。一般我们看到的电堆堆栈结构如下图所示。

这种堆栈结构就是燃料电池系统的核心，也是燃料电池的关键技术，它的内部结构如何呢？下面为大家进行详细分解，电堆堆栈结构的剖面示意和实体结构如下图：

结构上看，燃料电池电堆堆栈主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封圈这七个部分组成：

· 端板

端板的主要作用是控制接触压力，因此足够的强度与刚度是端板最重要的特性。足够的强度可以保证在封装力作用下端板不发生破坏，足够的刚度则可以使得端板变形更加合理，从而均匀地传递封装载荷到密封层和MEA上。

· 绝缘板

绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离。为了提高功率密度，要求在保证绝缘距离(或绝缘电阻)前提下最大化减少绝缘板厚度及重量。但减少绝缘板厚度存在制造过程产生针孔的风险，并且可能引入其他导电材料，引起绝缘性能降低。

· 集流板

集流板是将燃料电池的电能输送到外部负载的关键部分。考虑到燃料电池的输出电流较大，都采用导电率较高的金属材料制成的金属板(如铜板、镍板或镀金的金属板)作为燃料电池的集流板。

· 双极板

燃料电池双极板（Bipolar Plate，BP）又叫流场板，是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

· 膜电极

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由质子交换膜、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构”。PEMFC的性能由MEA决定，而MEA的性能主要由质子交换膜性能、扩散层结构、催化层材料和性能、MEA本身的制备工艺所决定。