浅谈氢燃料电池汽车的主要结构

1 氢燃料电池的工作原理

氢燃料汽车是电动汽车的一种，使用燃料电池为汽车提供动力，而不是锂离子电池组；它们不像汽油车那样燃烧燃料。与电动汽车一样，氢能汽车不会产生有害排放物，唯一的副产品是水蒸气。由于它们是电动汽车，所以也被称为燃料电池电动汽车（FCEV）。

与电动汽车电池中的锂离子电池一样，氢能汽车也有多个燃料电池同时工作发电。这些电池的集合称为氢燃料电池堆。

来自储氢罐的氢气与燃料电池堆内的氧气结合产生电力。电子从氢气中分离出来，通过电路为发动机供电，并与电路另一端的氧气结合形成水蒸气，通过汽车尾气排出。

如上图所示，氢燃料电池产生的电能根据情况可以有两种模式。这些电能可以直接为电动机提供动力，也可以为一个小型锂离子电池充电，该电池可为电动机提供动力，并可储存电能以供日后使用。

2 氢燃料电池电动汽车的主要部件

3 氢燃料电池堆的主要结构

聚合物电解质膜燃料电池（PEM）是目前燃料电池汽车应用研究的重点。下面以PEM燃料电池堆为例，主要部件如下：

PEM 燃料电池的核心是膜电极组件 (MEA)，其中包括膜、催化剂层和气体扩散层 (GDL)。另外，用于将 MEA 装入燃料电池的硬件组件包括密封垫和双极板，前者用于密封 MEA，防止气体泄漏，后者用于将单个 PEM 燃料电池组装成燃料电池堆，并为气态燃料和空气提供通道。

膜、催化剂层（阳极和阴极）和扩散介质共同构成了 PEM 燃料电池的膜电极组件 (MEA)。

• 聚合物电解质膜

聚合物电解质膜或 PEM（也称为质子交换膜）是一种经过特殊处理的材料，看起来就像普通的厨房保鲜膜，它只传导带正电荷的离子，而阻挡电子。PEM 是燃料电池技术的关键；它必须只允许必要的离子在阳极和阴极之间通过。

• 催化剂层

在膜的两面都添加一层催化剂,一面是阳极层，另一面是阴极层。催化剂层包含纳米级铂颗粒。这种铂催化剂夹在膜和 GDL 之间。在阳极侧，铂催化剂使氢分子分裂成质子和电子。在阴极一侧，铂催化剂与阳极产生的质子发生反应，生成水。混合在催化剂层中的离子聚合物可使质子穿过这些层。

• 气体扩散层（GDL）

气体扩散层位于催化剂层之外，有助于将反应物输送到催化剂层，并去除生成物中的水。每个 GDL 通常由一张碳纸组成，其中的碳纤维部分涂有聚四氟乙烯 (PTFE)。气体通过 GDL 的孔隙快速扩散。疏水性聚四氟乙烯使这些孔隙保持开放，从而防止水分过度积聚。

在典型工作条件下，每个单个 MEA 产生的电压低于 1 V，但大多数应用需要更高的电压。因此，多个 MEA 通常通过堆叠的方式串联起来，以提供可用的输出电压。堆叠中的每个电池都夹在两块双极板之间，以便与相邻电池隔开。这些双极板由金属、碳或复合材料制成，在电池之间提供导电路径，并为电池堆提供一定机械强度。板的表面通常包含一个 "流道"，使气体能够在 MEA 上流动。

燃料电池堆中的每个 MEA 都夹在两块双极板之间，但必须在 MEA 边缘添加垫片，以实现气体密封。这些垫片通常由橡胶聚合物制成。

原文始发于微信公众号（TechPlus工坊）：浅谈氢燃料电池汽车的主要结构