简要介绍燃料电池电堆及其核心零部件

催化剂

催化剂是燃料电池的关键材料之一，其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。

阳极反应：阳极电催化剂表面的氢气氧化反应(HOR)，整体氧化反应可以表示为：

阴极反应：阴极电催化剂表面的氧还原反应(ORR)，整体反应可表示为：

目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂，当前铂金用量已经降至可接受水平，根据DOE数据，2015年Pt含量达到0.16g/kw，质量比活性大于0.5A/mg。

本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.12g/kw，丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达0.175g/kw。

Pt质量比活性可以通过提高表面Pt的面积比活性来改善，改变表面Pt面积比活性的重要理论指导是Pt与其他金属发生相互间作用后，Pt原子的几何结构和电子结构发生改变。

主要研究方向有Pt合金催化剂、Pt单层催化剂、Pt纳米管和Pt核壳等：研究非Pt催化剂替代，包括钯基催化剂和非贵金属催化剂。

气体扩散层

多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间，主要起气体扩散的作用。

多孔扩散层的主要功能包括：

①实现气体在催化层表面的扩散;

②提供机械支撑;

③导通电流;

④排除反应生成水。

扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚，影响气体扩散。

不同扩散层材料性能指标

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸，也有的利用泡沫金属、金属网等来制备，主要起到支撑微孔层的催化层的作用，微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使得流道气体以及产生水均匀分配。

工艺方面，气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可分为两种：湿法和干法。

湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙，能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小，有利于加工成满足实际需求的炭纸。

湿法制碳纸工艺

双极板

双极板也叫做流场板，是构成质子交换膜燃料电池重量和体积的主要部分。

它的主要作用有：

1)把反应物通过机加工的通道送到膜电极组，

2)将反应物扩散到电极表面，

3)收集电化学反应产生的电流。双极板需要有良好的导电性和导热性，良好的力学强度和化学稳定性。

现在也有大量开发新材料的研究，其目的是减轻双极板的重量，从而提高燃料电池的功率密度，但均有一定的缺点。

双极板上的流道对于双极板的性能非常重要，不同几何形状的流道在反应物的导流上具有重要影响。

双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。

石墨基双极板在燃料电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，同时具有很高的导电率，是目前质子交换膜燃料电池研究和应用中最为广泛的材料。

金属材料相比石墨材料具有更好的导电和热传导性能，同时金属材料良好的机加工性能会大大降低双极板的加工难度。

复合材料双极板能较好地结合石墨板与金属板的优点，使电堆装配后达到更好的效果。

三种常用双极板性能比较

乘用车燃料电池具有高能量密度需求，金属双极板相较于石墨及复合双极板具有明显优势。

如日本丰田Mirai燃料电池汽车用金属双极板PEMFC模块的功率密度达到3kW/L，英国IntelligentEnergy的新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度达到5kW/L。

金属双极板使PEMFC模块的功率密度大幅提升，金属双极板已成为乘用车燃料电池的主流双极板。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。

双极板上的流道

为了增大反应面积，可以将燃料电池内部设计成多种不同的“流道”，使得在体积一定的情况下，反应接触的面积更大，相应的效率也更高。“流道”的设计如下图所示。

虽然单体燃料电池结构比较简单，但燃料电池堆的运作实际上非常复杂。燃料电池系统中还具有发挥水管理、热管理和功率调节等作用的组件，各组件构精密配合方能完成燃料电池的能量转换，并且事先还需要反复和精准的计算机模拟。

例如，如果没有良好的水管理，燃料电池水产生和水除去将失去平衡。质子交换膜在湿度为30时氢离子导电率严重下降，15时成为绝缘体。

而反应产生的热量很可能加剧水的蒸发，因此需要加湿器来进行加湿。而同时，阴极产生的水则容易淹没电池，导致氧气(空气)无法扩散到电极，降低工作性能。