氢能及燃料电池科普系列：膜电极和双极板
电堆的构成
电堆是燃料电池系统的功能核心，包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板、集流板、密封组件、端板等部件。电堆是电化学反应发生场所，由于单个燃料电池单元输出功率较小，通常将多个燃料电池单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。电堆由双极板（BP）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。
图 1 质子交换膜燃料电池原理示意图
双极板与膜电极组件是燃料电池电堆的核心构成部分，成本分别占比23%、64%。膜电极组件包含气体扩散层（GDL）、催化剂层（CL）以及质子交换膜（PEM）。通入的氢气与氧气在MEA中发生氧化还原反应产生电能。
图 2 燃料电池电堆由双极板与膜电极交替结合
膜电极
膜电极（MEA）由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，是燃料电池发电的关键核心部件，同时也是多相物质传输和电化学反应的场所，决定了燃料电池的性能、寿命和成本。主要性能指标包括单位表面积的输出功率（功率密度）、贵金属用量（单位功率输出的铂用量）、寿命和成本。
膜电极生产目前采用的是第二代生产技术——催化剂涂膜（CCM）技术，具有卷对卷（Roll-to-Roll）连续化高速生产能力。国际上，日、美、欧、加拿大等国家和地区凭借多年技术积累，在膜电极的基础研究和制备技术上一直处于领先地位。目前，国际上最先进的膜电极商业化产品的功率密度在1.4~1.5W/cm2范围内，国内量产膜电极的功率密度为1.0~1.2W/cm2。
国外膜电极供应商及丰田、本田等乘用车企业都已具备膜电极批量自动化生产线，单线年产能在数千平方米到万平方米级。由于国产膜电极的设计与制造缺陷较多，产出的膜电极的功率密度、耐久性和贵金属铂使用载量等技术参数都有待于进一步提升，所采用的关键组件材料大都还依赖进口。
图 3 国内质子交换膜主要企业分布
全球从事质子膜研究的主要有美国科慕、陶氏、3M公司、戈尔公司，比利时索尔维（Solvay）公司，日本旭硝子玻璃（AsahiGlass）、旭化成（AsahiKASEI），以及我国的东岳氢能、泛亚微透等十余家公司。其中，美国戈尔公司在增强膜方面具有知识产权优势，目前应用最为广泛的是戈尔公司的Nafion系列膜（GORE-SELECT?PEM），目前全球市场占有率超过90%，每年出货量达几十万平米，丰田MIRAI、现代NEXO和本田CLARITY等都采用戈尔产品。?东岳氢能具有完整的全氟磺酸树脂产业链，是继戈尔、科慕两家外国企业之后国内市场占比最大的企业，具有从原料、中间体、单体、聚合物膜全产业链，同时建成全国唯一全氟酸质子膜树脂合成生产线，目前实现量产并批量供货，但在产品可靠性、寿命、规模化生产及应用经验方面还需提高。
图 4 不同种类质子交换膜对比
在燃料电池中，催化剂起到分解氢气和氧气进行电化学反应产生电流的作用。目前商用催化剂为铂碳催化剂，而稀有金属铂的高成本是燃料电池商业化的主要阻碍之一。国外催化剂用量已实现<0.2g/kW，而我国催化剂用量普遍处于0.3-0.4g/kW的水平。因此低铂和非铂催化剂的开发成为降低燃料电池成本的关键。?催化剂需要平衡成本与耐久性两方面的需求，新型高稳定、高活性铂或非铂催化剂是研究热点。铂合金催化剂取得很大进展，如铂钴、铂镍等正在得到实际应用；非铂催化剂性能与稳定性还有待提升。近年来，铂钴等合金催化剂也实现了商业化并逐渐取代铂碳广泛用于燃料电池产品中，如丰田Mirai。日本田中贵金属（TanakaKikinzokuKogyo）、英国庄信万丰（JohnsonMatthey）和比利时优美科（Umicore）是全球最大的几家燃料电池催化剂供应商，催化剂制备技术处于绝对领先地位，已经能够实现批量化生产（大于10kg/批次），而且性能稳定，可靠性高。国内催化剂厂商包括贵研铂业、中自科技、武汉喜马拉雅以及上海济平新能源等也从事相关产品研发。
图 5 燃料电池催化剂技术对比
气体扩散层（GDL）层位于气体流场层和催化层之间，由碳纸和防水剂聚四氟乙烯材料构成，以满足高导电性、高强度、高孔隙度、耐腐蚀、结构致密且表面平整等特点，起到支撑膜电极、收集电流、传导气体、管控反应水（气）及热等重要作用。
图 6 国内碳纸与国际同类产品比较
国外有日本东丽（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德国西格里（SGL）和科德宝（Feudenberg）、美国AvCarb，韩国JNTG等制造厂商，都已实现气体扩散层的规模化生产，且都有多款适应不同应用场景的产品销售。
目前我国气体扩散层技术还在进行探索，碳纸类材料的实验室技术可对标国际部分先进产品水平，但在实现产品规模化生产方面还有一定差距。国内知名的气体扩散层企业主要有台湾碳能、通用氢能、江苏氢电、江苏清能、上海河森电气等。气体扩散层的成本主要由加工费主导，若规模化生产将会带来大幅的成本削减，因此批量化生产是实现气体扩散层降本的关键。
双极板
双极板的作用是作用是传导电子、分配反应气并带走生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等。双极板需要在燃料电池酸性、湿热环境下具有耐腐蚀性，且对燃料电池其他部件与材料的相容性较高；产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。
图7 双极板分类
目前主要的产品应用是石墨板，金属双极板是未来趋势。燃料电池常采用的双极板材料包括石墨碳板、复合双极板、金属双极板 3 大类。目前石墨板是应用最广泛的技术，主要系其良好的化学稳定性和导电性。不过由于车辆空间限制（尤其是轿车），要求燃料电池具有较高的功率密度，因此具有更好的导电、导热性和加工性能，以及更低成本的薄金属双极板成为目前的热点技术。目前国内石墨板有一些企业具备量产能力，如上海弘枫、杭州鑫能石墨等，但是金属板目前取得突破的企业不多。
图7 几种双极板优缺点比较图