氢能与燃料电池产业报告：电堆（36页）

电堆，即燃料电池电化学反应系统。在电化学反应系统中，反应物氢气和空 气以一定的化学计量比进入燃料电池电堆中，反应生成电能和水。电堆决定 了整个燃料电池的功率密度与净功率，是整个燃料电池动力系统的核心部分。目前，燃料电池车中应用最广泛的是质子交换膜燃料电池，其电堆是由膜电 极组件（MEA）、双极板（BP）、密封垫片和端板组成。 （1）膜电极组件包括质子交换膜（PEM）、催化剂层（CL）和气体扩散层 （GDL），当有氢气与空气通入时，在其中发生电化学氧化还原反应产生电 能。膜电极组件中的电极由气体扩散层与催化剂层组成。在催化剂存在条件 下，发生在阳极的氢气氧化反应为： H2 → 2H+ + 2e− 发生在阴极的氧气还原反应为： 4H+ + 4e− + O2 → 2H2O 燃料电池的整体反应为： 2H2 + O2 → 2H2O 质子交换膜将质子从阳极传递到阴极，与外电路中从阴极通过负载流向阳极 的电子构成闭合回路，并在阴极与氧气反应生成水； （2）双极板通过气体通道或流场使氢气与空气分别在膜电极组件的两极均 匀分布，并在相邻的阴极和阳极之间传递电子； （3）密封垫片主要用于防止电堆发生气体泄漏，从而发生危险； （4）端板是燃料电池电堆最外面固定整个电堆的两块板，并通过负载将电 流从阳极传导到阴极并产生电功率。

电堆是根据所需要的电池功率组装一定数量的由膜电极与双极板组件构成 的单元。电堆成本很大程度决定了燃料电池系统的成本，进而影响整车成本， 降低燃料电池电堆成本对于燃料电池车的推广与应用至关重要，而规模效应、 催化剂铂负载量，双极板材料等均是影响成本的重要因素。上述影响因素中，在发展初期规模效应最为显著，当年产量由 1 千套增加到 1 万套时，电堆成本可降低 65%。美国能源部估算了不同生产规模对单个燃 料电池系统成本及电堆成本的影响： （1）年产量为 1000 套时，燃料电池系统成本为 215 美元/kW，电堆成本为 153 美元/kW ；当年产量达到 1 万套时，系统成本降至 93 美元/kW，电堆 成本降至 53 美元/kW，燃料电池系统成本降低 57%，电堆成本降低 65%； （2）产量由 1 万套/年增长至 10 万套/年时，燃料电池系统成本与电堆成本 分别可降至 59 美元/kW 和 31 美元/kW，分别降低 37%和 42%； （3）产量由 10 万套/年增长至 50 万套/年时，燃料电池系统成本和电堆成本 分别可降至 53 美元/kW 和 27 美元/kW，分别降低 10%和 13%。