催化劑

催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過程。目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑。

陽極反應(yīng)：陽極電催化劑表面的氫氣氧化反應(yīng)(HOR)，整體氧化反應(yīng)可以表示為：

陰極反應(yīng)：陰極電催化劑表面的氧還原反應(yīng)(ORR)，整體反應(yīng)可表示為：

目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑，當(dāng)前鉑金用量已經(jīng)降至可接受水平，根據(jù)DOE數(shù)據(jù)，2015年P(guān)t含量達(dá)到0.16g/kw，質(zhì)量比活性大于0.5A/mg。

本田FCV燃料電池催化劑Pt含量降至0.12g/kw，豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達(dá)0.175g/kw。

Pt質(zhì)量比活性可以通過提高表面Pt的面積比活性來改善，改變表面Pt面積比活性的重要理論指導(dǎo)是Pt與其他金屬發(fā)生相互間作用后，Pt原子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

主要研究方向有Pt合金催化劑、Pt單層催化劑、Pt納米管和Pt核殼等：研究非Pt催化劑替代，包括鈀基催化劑和非貴金屬催化劑。

氣體擴(kuò)散層

多孔氣體擴(kuò)散層將膜電極組合體夾在中間，主要起氣體擴(kuò)散的作用。

多孔擴(kuò)散層的主要功能包括：

①實(shí)現(xiàn)氣體在催化層表面的擴(kuò)散;

②提供機(jī)械支撐;

③導(dǎo)通電流;

④排除反應(yīng)生成水。

擴(kuò)散層的材質(zhì)是經(jīng)疏水材料處理的碳基材料(碳紙或碳布)。疏水材料的作用是防止水在擴(kuò)散層孔中積聚，影響氣體擴(kuò)散。

不同擴(kuò)散層材料性能指標(biāo)

氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來制備，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及產(chǎn)生水均勻分配。

工藝方面，氣體擴(kuò)散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。

濕法造紙技術(shù)制備的擴(kuò)散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂的量來控制孔隙率的大小，有利于加工成滿足實(shí)際需求的炭紙。

濕法制碳紙工藝

雙極板

雙極板也叫做流場(chǎng)板，是構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池重量和體積的主要部分。

它的主要作用有：

1)把反應(yīng)物通過機(jī)加工的通道送到膜電極組，

2)將反應(yīng)物擴(kuò)散到電極表面，

3)收集電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。雙極板需要有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，良好的力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。

現(xiàn)在也有大量開發(fā)新材料的研究，其目的是減輕雙極板的重量，從而提高燃料電池的功率密度，但均有一定的缺點(diǎn)。

雙極板上的流道對(duì)于雙極板的性能非常重要，不同幾何形狀的流道在反應(yīng)物的導(dǎo)流上具有重要影響。

雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。雙極板材料主要包括石墨、金屬以及復(fù)合材料三類。

石墨基雙極板在燃料電池的環(huán)境中具有非常良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有很高的導(dǎo)電率，是目前質(zhì)子交換膜燃料電池研究和應(yīng)用中最為廣泛的材料。

金屬材料相比石墨材料具有更好的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)性能，同時(shí)金屬材料良好的機(jī)加工性能會(huì)大大降低雙極板的加工難度。

復(fù)合材料雙極板能較好地結(jié)合石墨板與金屬板的優(yōu)點(diǎn)，使電堆裝配后達(dá)到更好的效果。

三種常用雙極板性能比較

乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢(shì)。

如日本豐田Mirai燃料電池汽車用金屬雙極板PEMFC模塊的功率密度達(dá)到3kW/L，英國IntelligentEnergy的新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度達(dá)到5kW/L。

金屬雙極板使PEMFC模塊的功率密度大幅提升，金屬雙極板已成為乘用車燃料電池的主流雙極板。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。

雙極板上的流道

為了增大反應(yīng)面積，可以將燃料電池內(nèi)部設(shè)計(jì)成多種不同的“流道”，使得在體積一定的情況下，反應(yīng)接觸的面積更大，相應(yīng)的效率也更高。“流道”的設(shè)計(jì)如下圖所示。

雖然單體燃料電池結(jié)構(gòu)比較簡單，但燃料電池堆的運(yùn)作實(shí)際上非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)中還具有發(fā)揮水管理、熱管理和功率調(diào)節(jié)等作用的組件，各組件構(gòu)精密配合方能完成燃料電池的能量轉(zhuǎn)換，并且事先還需要反復(fù)和精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模擬。

例如，如果沒有良好的水管理，燃料電池水產(chǎn)生和水除去將失去平衡。質(zhì)子交換膜在濕度為30時(shí)氫離子導(dǎo)電率嚴(yán)重下降，15時(shí)成為絕緣體。

而反應(yīng)產(chǎn)生的熱量很可能加劇水的蒸發(fā)，因此需要加濕器來進(jìn)行加濕。而同時(shí)，陰極產(chǎn)生的水則容易淹沒電池，導(dǎo)致氧氣(空氣)無法擴(kuò)散到電極，降低工作性能。