国家发改委和国家能源局联合发步的“氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)”中明确了氢能是未来我国能源体系的重要组成部分、用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。
氢能具有燃烧热值高,能量密度大的特点,氢能燃烧热值高达143MJ/kg,约为汽油、柴油、天然气的2.7倍。
氢在常温常压下为气态,在-252.7°C时,可成为液氢,氢能燃烧的最终产物是水,是世界上最干净的能源。
氢燃料电池技术,被世界广泛认为是利用氢能解决未来人类能源危机的终极方案,氢燃料电池由电堆、电控、供氢装置、供空气装置等部件组成,氢燃料电池中的电堆是组成燃料电池的关键核心部件。
燃料电池电堆是由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成,双极板和膜电极是电堆的两大主要组成部分。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,即构成燃料电池电堆。
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。
双极板的极板一面是阳极,另一面是阴极,双极板具有电池之间的连接和电池间的隔离作用。双极板上有提供氢气和氧化剂(空气)的通道,确保反应气体均匀分配到电极各处以及将反应后剩余的气体和反应产生的水排出电池外。
膜电极组件将质子交换膜、催化层、扩散层集成一体,兼有隔膜和电解质的作用,其电解质的作用是仅使质子通过,阻止电子通过,这样就迫使电子只能通过外部电路向外输出做功。
其隔膜作用就是阻止阴阳极之间气体相通,防止氢氧混合发生爆炸。膜电极是电堆的核心部件,决定了电堆的性能及寿命指标。
催化层的作用是提供氢气和氧化剂发生电化学反应产生电流的场所,催化剂是影响氢燃料电池极化活化的主要因素。
目前氢燃料电池多采用贵金属铂(Pt)作催化剂,Pt及其合金在强酸性电解质中具有较高的稳定性和催化活性,但是其成本在整个氢燃料电池中占60%比例左右。
气体扩散层敷设在质子交换膜和催化剂的两面,用来提供气体从流道扩散到催化层的通道,同时也对燃料电池的催化层起支撑的作用。