【氢能百科】氢燃料电池电堆

氢燃料电池电堆是一种将氢燃料的化学能直接转化为电能的装置，也被称为电化学发电器。它是氢燃料电池动力系统的核心部分，通过电化学反应实现电能输出。

氢燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。每个单体电池主要由双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂和气体扩散层等部件组成。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，即构成氢燃料电池电堆。

图1 氢燃料电池电堆构造图

图2 氢燃料电池电堆主要部件

在氢燃料电池电堆中，氢气和氧气分别通过阳极和阴极进入电堆。在阳极侧，氢气被氧化为质子和电子。质子通过质子交换膜传导到阴极侧，而电子则通过外部电路流动，形成电流，可以用来驱动电动机等外部设备。在阴极侧，质子与电子和氧气发生还原反应，生成水。这个过程中，氧化和还原反应分别在阳极和阴极进行，电解质膜起到了隔离两侧气体但允许质子通过的关键作用。

图3 氢燃料电池电堆工作原理图

氢燃料电池电堆主要有两种类型：低温型燃料电池电堆和高温型燃料电池电堆。并且具有诸多优点，主要包括无污染：通过电化学反应产生能量，零排放有害气体，如二氧化碳（COx）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。低噪音：运行噪音极低，约为55分贝，相当于正常交谈水平，适合对噪音敏感的环境。高效能：直接将化学能转换为电能，发电效率高达50%以上，远高于传统燃烧方式。低热损耗：作为化学能到电能的直接转换技术，其过程中热损耗较低，能量转换效率高。

图4 氢燃料电池电堆分类

氢燃料电池电堆主要应用于氢燃料电池汽车，包括商用车和乘用车。随着氢燃料电池汽车产销量的不断增加，氢燃料电池电堆的市场需求也在持续增长。未来，随着氢能基础设施的建设、关键技术的进步以及供应链的稳定和可持续发展，氢燃料电池电堆有望扩展到更多新兴的应用领域，如航空航天、海洋工程、能源存储和移动设备等，提供更广泛的解决方案。

氢燃料电池电堆制造领域竞争激烈，中国企业如潍柴动力、国鸿氢能等在政府扶持和国内市场需求驱动下，迅速崛起，自主研发核心零部件，完善产业链。同时，欧洲北美企业如西门子、霍尼韦尔等依托科研与资金优势，持续创新，力求保持行业领先地位。

图5 氢燃料电池电堆相关企业

氢燃料电池电堆作为氢燃料电池动力系统的核心部分，具有高效、环保、可持续等优点，在清洁能源转型中扮演着重要角色。随着技术的不断进步和市场应用的不断拓展，氢燃料电池电堆的未来发展前景广阔。