淺談氫燃料電池汽車的主要結構

1 氫燃料電池的工作原理

氫燃料汽車是電動汽車的一種，使用燃料電池為汽車提供動力，而不是鋰離子電池組；它們不像汽油車那樣燃燒燃料。與電動汽車一樣，氫能汽車不會產生有害排放物，唯一的副產品是水蒸氣。由于它們是電動汽車，所以也被稱為燃料電池電動汽車（FCEV）。

與電動汽車電池中的鋰離子電池一樣，氫能汽車也有多個燃料電池同時工作發電。這些電池的集合稱為氫燃料電池堆。

來自儲氫罐的氫氣與燃料電池堆內的氧氣結合產生電力。電子從氫氣中分離出來，通過電路為發動機供電，并與電路另一端的氧氣結合形成水蒸氣，通過汽車尾氣排出。

如上圖所示，氫燃料電池產生的電能根據情況可以有兩種模式。這些電能可以直接為電動機提供動力，也可以為一個小型鋰離子電池充電，該電池可為電動機提供動力，并可儲存電能以供日后使用。

2 氫燃料電池電動汽車的主要部件

3 氫燃料電池堆的主要結構

聚合物電解質膜燃料電池（PEM）是目前燃料電池汽車應用研究的重點。下面以PEM燃料電池堆為例，主要部件如下：

PEM 燃料電池的核心是膜電極組件 (MEA)，其中包括膜、催化劑層和氣體擴散層 (GDL)。另外，用于將 MEA 裝入燃料電池的硬件組件包括密封墊和雙極板，前者用于密封 MEA，防止氣體泄漏，后者用于將單個 PEM 燃料電池組裝成燃料電池堆，并為氣態燃料和空氣提供通道。

膜、催化劑層（陽極和陰極）和擴散介質共同構成了 PEM 燃料電池的膜電極組件 (MEA)。

• 聚合物電解質膜

聚合物電解質膜或 PEM（也稱為質子交換膜）是一種經過特殊處理的材料，看起來就像普通的廚房保鮮膜，它只傳導帶正電荷的離子，而阻擋電子。PEM 是燃料電池技術的關鍵；它必須只允許必要的離子在陽極和陰極之間通過。

• 催化劑層

在膜的兩面都添加一層催化劑,一面是陽極層，另一面是陰極層。催化劑層包含納米級鉑顆粒。這種鉑催化劑夾在膜和 GDL 之間。在陽極側，鉑催化劑使氫分子分裂成質子和電子。在陰極一側，鉑催化劑與陽極產生的質子發生反應，生成水。混合在催化劑層中的離子聚合物可使質子穿過這些層。

• 氣體擴散層（GDL）

氣體擴散層位于催化劑層之外，有助于將反應物輸送到催化劑層，并去除生成物中的水。每個 GDL 通常由一張碳紙組成，其中的碳纖維部分涂有聚四氟乙烯 (PTFE)。氣體通過 GDL 的孔隙快速擴散。疏水性聚四氟乙烯使這些孔隙保持開放，從而防止水分過度積聚。

在典型工作條件下，每個單個 MEA 產生的電壓低于 1 V，但大多數應用需要更高的電壓。因此，多個 MEA 通常通過堆疊的方式串聯起來，以提供可用的輸出電壓。堆疊中的每個電池都夾在兩塊雙極板之間，以便與相鄰電池隔開。這些雙極板由金屬、碳或復合材料制成，在電池之間提供導電路徑，并為電池堆提供一定機械強度。板的表面通常包含一個 "流道"，使氣體能夠在 MEA 上流動。

燃料電池堆中的每個 MEA 都夾在兩塊雙極板之間，但必須在 MEA 邊緣添加墊片，以實現氣體密封。這些墊片通常由橡膠聚合物制成。

原文始發于微信公眾號（TechPlus工坊）：淺談氫燃料電池汽車的主要結構