燃料電池發電原理與原電池或二次電池相似，電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，反應產物為水。
1 燃料電池技術
燃料電池發電原理是電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應，反應產物為水（圖1）。燃料電池單電池的組成包括膜電極組件、雙極板及密封元件等。
圖1 工作原理
與其他電池不同的是，支撐燃料電池發電還需要發電系統的參與（圖2）。
圖2 燃料電池組成
燃料電池汽車動力鏈的主流技術為“電-電”混合模式（圖3），平穩運行時依靠燃料電池提供動力，需要高功率輸出時，燃料電池與二次電池共同供電，在低載或怠速工況燃料電池給二次電池充電。
圖3 燃料電池動力鏈組成
典型的燃料電池動力系統車上布局如圖4所示，可采用底板布局或前艙布局。
圖4 燃料電池車上布局
2 關鍵材料與部件
2.1 電催化劑
燃料電池的關鍵材料之--電催化劑，其作用促進氫、氧在電極上的氧化還原過程。科學家目前所研究新型高穩定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是燃料電池科研方向的熱點和難點。2.1.1 Pt-M催化劑
Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化劑，既提高穩定性又提高質量比活性，并且還減少貴金屬的使用。（圖5）。
圖5 Pt3Ni 納米籠結構ORR 催化劑形成過程
2.1.2 Pt核殼催化劑
Pt核殼催化劑技術利用非Pt材料為支撐核、外貴金屬為殼的結構，可降低Pt用量，提高質量比活性。如中國研究人員制備的Pd@Pt/C核殼催化劑，其氧還原活性與穩定性好于商業化Pt/C催化劑（圖6）。
圖6 Pd Pt 核殼催化劑商業化催化劑
2.2 固態電解質膜
燃料電池中PEM(質子交換膜)是常見的固態電解質膜，目的是隔離燃料與氧化劑、傳遞質子（H+）。目前常用的商業化質子交換膜是全氟磺酸膜，其化學式如圖7所示。
圖7 全氟磺酸Nafion膜的化學結構
下圖是東岳公司研發的全氟離子交換樹脂和含氟功能材料，產品的性能達到商品化水平（圖8）。
圖8 國產膜與進口商品膜燃料電池性能比較
除此之外,為了提高性能，日趨薄化的質子交換膜耐久性受到考驗，于是一系列質膜改性而來的增強復合膜不斷被開發出來。
2.3 氣體擴散層（GDL）
氣體擴散層位于流場和催化層之間，支撐催化層、穩定電極結構，具有質/熱/電的傳遞功能。通常氣體擴散層由支撐層和微孔層組成。表1為國產化碳紙與進口商品化碳紙比較。
表1 國產化碳紙與進口商品化碳紙性能比較
當然,除此之外，近些年對氣體擴散層的傳質功能研究也逐漸引起人們重視（圖9）。
圖9 膜電極
2.4 膜電極組件（MEA）
膜電極組件是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一（圖10）。
圖10 MEA組成
在中國科學院大連化學物理研究所開發生產的新型MEA（圖11），其性能可以達到國際水平。
圖11 MEA（a）及性能(b)
2.5 雙極板（BP）
雙極板傳導電子、分配反應氣并帶走生成的水。采用的雙極板材料如圖12所示。
圖12 雙極板材料
中國科學院大連化學物理研究所研究了金屬雙極板表面改性技術，提高雙極板的導電、耐腐蝕性（圖13）。
圖13 雙極板耐腐蝕與導電性能
2.6 反應電堆
燃料電池的反應電堆（圖14）是燃料電池發電系統的核心。
圖14 電堆結構
目前，我國已建立了從材料、MEA、雙極板部件的制備到電堆組裝、測試的完整技術體系，開發的燃料電池電堆（圖15）。
圖15 我國開發的燃料電池電堆
豐田汽車燃料電池電堆采用的是3D流場設計，使流體產生垂直于催化層的分量，強化了傳質，降低了傳質極化,如下圖所示。
圖16 Mirai燃料電池流場（a）與電堆（b）
3 系統部件
燃料電池主要系統部件包括空壓機、增濕器、氫氣循環泵、高壓氫瓶等。
3.1 空壓機
空壓機的作用是提取發電所需要的氧化劑，常用的空壓機有離心式、螺桿式、羅茨式等。當前，空壓機還是燃料電池的技術難點之一,下圖為空壓機.
圖17 空壓機
3.2 增濕器
反應氣通過增濕器把燃料電池反應所需的水帶入燃料電池內部，常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器（圖18）等。
圖18 增濕器
3.3 高壓氫瓶
氫瓶主要分為四種類型：全金屬氣瓶（I型）、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶（II型）、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。
圖19 車載儲氫瓶（IV型）
當前,燃料電池的發展也在與時俱進,國內外的科研機構和專家學者也很多在攻堅燃料電池的技術難點.國內外的主機廠如豐田,奇瑞等也開發出其燃料電池汽車,但由于成本原因,還未能批量生產.相信,在未來,當其關鍵技術有重大突破時,或許燃料電池也會成為替代燃油車的另一個切實可行的方案。
來源：微信公眾號汽車電子聯盟
