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　　2.燃料电池的电堆：膜电极（质子交换膜 / 催化剂 / 气体扩散层）+ 双极板 + 集流板 + 密封圈

　　由于储氢和运氢技术和空压机等都有大篇幅文章介绍，我就侧重谈谈氢燃料电池汽车的混动技术要求 /DC/DC技术要求/ 燃料电池的电堆。

　　目前以氢为直接原料的燃料电池是按照电解质性质来划分,其中燃料电池的工作温度取决于电解质的温度，电解质的燃料电池的化学性质取决于酸碱性，电解质不同所使用的催化剂也不同。

　　目前常见的 5 种燃料电池: 碱性燃料电池(AFC) / 磷酸型燃料电池(PAFC) / 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) / 固体氧化物燃料电池(SOFC) / 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

　　由于质子交换膜燃料电池作为氢为直接原料的燃料电池的典型代表我们解释一下质子交换膜燃料电池原理

　　电池原理：反应原料通过管道输送到燃料电池正极，在正极端发生氧化反应，释放出电子的同时生成H+，反应生成的电子经外部回路到达电池负极，电子的定向移动就产生了电能，H+穿过质子交换膜到达燃料电池负极，与燃料电池负极通入的空气发生还原反应，生成清洁无污染的水。

　　新能源汽车的重点研究领域是FCV ，它具有驶里程长 / 零排放 / 续燃料来源多样化 / 补充燃料速度快等优点，是解决城市环境污染的有效办法，然而燃料电池本身存在的输出特性软，变载工况适应性差的不足，使其无法较好地满足车辆需求。另外，车辆行驶过程中的负载需求功率不断变化，会造成燃料电池的输出电流发生高频波动，进而严重影响燃料电池的使用寿命。为了提高 PEMFC 系统的适用性，通常情况下会外接其它储能元件，以此提高系统的动态性能。辅助能量源在整车大负载情况时提供能量，而在车辆制动的时候可以把能量收集到二次电池或超级电容里面，由此提升燃料电池车辆的经济性。通常，由燃料电池动力装置的布置方案和它们与驱动电机间的连接方式，可以将 FCV 的动力系统构型分为直接混合型动力构型和间接混合型动力构型。

　　PEMFC 系统直接接电机控制器，并且利用超级电容或者二次电池作辅助能源提供装置，二次电池经过双向 DC/DC 后与电机控制器相连。

　　PEMFC 通过单向的 DC/DC 来匹配电机控制器的输入电压，并由此控制功率输出，辅助能量提供装置选用二次电池或者超级电容，且直接连接到电机控制器的直流母线端。

　　DC/DC 的性能对保证 FCV 动力系统的正常、稳定而且高效地工作具有非常重要的意义。其技术方面要求，我下面的文章里会谈到.

　　氢燃料电池主要由 电堆 / 系统部件（空压机、增湿器、氢 循环泵、氢瓶）组成。

　　电堆是整个电池系统的核心：膜电极 / 双极板构成的各电池单元以及集流板 / 端板 / 密封圈等。

　　膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性决定了电堆的使用寿命和工况 适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、 双极板、控制技术等方面。

　　在氢燃料电池的膜电极材料中，最为关键的是质子交换膜，它的作用是在化学反应时，仅让阳极失去电子的氢离子( 质子) 透过到达阴极，但需要限制电子、氢分子、水分子的通过。全氟磺酸质子交换膜材料的特点为质子传导电阻小 / 机械强度高 /在低温下电流密度大 / 高湿度下导电率高 / 化学稳定性强 等，这样即满足氢燃料电池对膜电极的性能要求，这是是质子交换膜材料的主流，未来发展方向是高温膜 / 碱性膜/ 复合膜 。

　　目前全氟磺酸型膜领域主要采用的是美国杜邦公司的Nafion 膜，他也是国内主要的装配氢燃料电池所用的质子交换膜。虽然Nafion 膜占有率达，但是仍存在缺陷： 单体合成困难 / 高温时易发生化学降解 / 温度升高后质子传导性变差 / 成本较高。所以其他研究机构正在研发其他膜材料：部分氟化的磺酸型质子交换膜 / 高温膜 / 碱性膜 / 复合膜 等。巴拉德公司研制的部分氟化的磺酸型质子交换膜 BAM3G，它的的实验寿命已经超过 4500 h，但是费用只有Nafion膜的十分之一。复合膜是通过工艺加工来改性全氟型磺酸膜，从而提升其耐高温性和阻醇性，Gore 公司研制的 Gore-select 复合膜，大连化物所研发的Nafion /PTFE 复合增强膜，还有碳纳米管增强复合膜。碱性膜对应的燃料电池系统的工作环境为碱性，这种环境下可以扩大催化剂选择的范围，可以通过镍和银来取代金属铂，因为它们的储量更大。

　　燃料电池的核心材料是催化剂，其工作原理是通过作用于氢气来加速电子脱离氢原子。目前燃料电池中常用的 商用催化剂为 Pt /C，它的构成是 3 ～ 5 nm纳米级的 Pt 颗粒和支撑 Pt 颗粒的大比表面积活性碳。选用 Pt 是由于其为所有金属材料中催化 HOＲ 和 OＲＲ 性能最高的材料，而且满足作为电极催化材料的多方面要求： 高导电率 / 高稳定性 / 抗腐蚀。但是Pt 是稀有金属，其价格昂贵，目前由于在燃料电池电堆中Pt 基催化剂的成本比例高达50%)，而且其供应量极低，这两点已成为燃料电池技术走向商业化应用的关键障碍。

　　质子交换膜燃料电池商业化目标是超低铂或无铂催化剂。以现有技术进行燃料电池汽车商业化，Pt 载量为 0． 2 g / kW，每年车用燃料电池对 Pt 资源的需求高达一千吨以 上，远超过全球Pt的年产量，比如2015年只有178 t 。目前计划降低 Pt 用量，第一是是将燃料电池电堆的 Pt 用量下降到0.1g / kW ，最终目标是催化剂用量实现小于 0.05 g / kW。目前3M公司的有序化膜电极，其铂载量仅为 0.118 mg / cm2。但是国内催化剂的 Pt 载量为 0．3 - 0．4 g / kW，技术差异巨大。由于 Pt 具有稀缺/ 昂贵 / 耐久性差的特点， 催化剂的研究方向：降低 Pt 的用量 / 改进催化剂的微观结构 / 开发 Pt 高度分散的新型碳载体 / 开发 Pt 基催化剂批量制备新工艺。

　　气体扩散层处于气体流场层和催化层间，其作用是提供传输通道给参与反应的气体和生成的水，而且支撑催化 剂，它的性能影响到燃料电池的性能。气体扩散层由碳布/碳网和防水剂聚四氟乙烯材料构成，具备高导电性、高强度 / 高孔隙度 / 耐腐蚀 / 结构致密 / 表面平整的特点。气体扩散层的基体材料构成：碳纸/碳布/ 碳黑纸 /非织造布 / 碳纤维纸，其成本为燃料电池成本的 25%左右。

　　气体扩散层是支撑催化剂层和收集电流 ，而且为化学反应提供电子通道 / 气体通道 / 排水通道的隔层，气体扩散层由微孔层和支撑层组成，支撑层材料为憎水处理过的多孔碳纸 / 碳布，微孔层由导电碳黑和憎水剂构成，它有降低催化层和支撑层之间接触电阻的作用，使反应气体和产物水在流场和催 化层之间实现均匀再分配，有利于增强导电性，提高电极性 能。现在商业化碳纤维纸/布等材料，从性能上已能达到要求，而气体扩散层是加工费用主导成本的部件，规模化生产会降低成本，根据统计当生产规模从 1 000 套提升到 50 万套 时，成本会从 一套20000元左右降到 700元左右，所以未来的研究重点是开发扩散层大规模生产工艺。

　　双极板又叫流场板，其作用是在燃料电池中主要起输送和分配燃料，在电堆中负责隔离阴阳两极的气体，现在石墨板、金属板及复合材料板被大量采用。双极板约占整个燃料电池质量的60%，约为成本 的13%。其作用是连接单体模块、分隔反应气体、收集电流、散热和排水。基体材料具有强度高 / 致密性好 / 耐蚀性 / 导电性 / 导热性好，影响燃料电池的电性能和使用寿命的重要因素：材料的选择。

　　氢燃料电池最常用的双极板是石墨双极板，它采用机加工的方法，也有直接采用压铸成型或膨胀石墨成型技术。未来石墨双极板的研究方向是生产工艺的改进和减小石墨板的厚度。金属双极板采用铝 / 钛 / 不锈钢 / 镍 等金属材料制成，其特点：易加工 / 成本低 / 厚度薄 / 可批量制造 / 电池的体积比功率与比能量高，但是其密度较大 和耐蚀性差。复合材料双极板采用树脂混合石墨粉和增强纤维等形成预制料，其综合了石墨板和金属板的优点（质量轻+耐蚀性强），但是弊端是成本较高和加工繁琐。

　　我是@小杰仔，一名汽车研发工程师，一名手机科技爱好者，如有帮助，请点赞/关注支持。