燃料电池电堆简介
图1质子交换膜燃料电池工作原理
燃料电池电堆作为燃料电池系统的核心部件，维系着整个燃料电池系统的能量输出过程。燃料电池电堆由多片单电池组成，单电池则由双极板、膜电极（包含质子交换膜、催化层和气体扩散层等）和密封件等构成。
图2燃料电池电堆的构成
随着材料科学、制造工艺、装配技术的日益进步，提升功率密度和耐久性、降低成本逐渐成为燃料电池规模化、产业化发展的重要趋势。因此，开展合理的流场设计与膜电极设计工作尤为重要。同时，大功率密度、高冷启动性能、自增湿以及车用工况的匹配等也对燃料电池水热管理策略提出了更高的要求。
膜电极
燃料电池电堆的主要成本在于膜电极，膜电极主要成本则在于催化剂、质子交换膜、气体扩散层，随着生产规模的扩大，使用贵金属的催化剂成本占比会越来越高。因此在保证足够的功率输出的情况下，如何降低膜电极中贵金属催化剂Pt粉的使用量，是降低燃料电池动力系统成本的关键。目前这方面的研究可分为两个方向：一是发展非贵金属催化剂，实现Pt催化剂的完全替代或部分替代；二是通过开发纳米结构的催化剂合金颗粒和催化剂载体材料，减少催化剂载体的腐蚀以及承载更加稳定和活性更高的催化剂，从而提高催化剂的利用率。此外，开发更薄的质子交换膜也是降低成本和提高性能（更低的离子传导损失）的重要手段，但是需要警惕气体渗透增强带来的风险。
双极板设计---薄板化(紧凑化)、有序化
双极板是电池结构的重要组件，在燃料电池运行中发挥着项重要功能——导电、导气与导热。现在应用比较成熟的燃料电池双极板有石墨双极板与金属双极板。石墨双极板易于机械加工，流场形式可根据设计要求进行加工；但是，石墨双极板体积较大，比较脆，在运行中受到震动容易破碎。金属双极板设计成功后，成型效率高，相同功率电池堆较石墨板电堆体积要小，但是，金属双极板电池堆组装后接触电阻比较大，同时金属板易腐蚀的缺点限制了其应用。双极板的导电性与材料物性以及双极板表面改性技术息息相关。气体分配与散热过程则与双极板的流场设计关系密切。此外，大量的研究工作也已表明，流场的排水能力是限制燃料电池极限电流密度提升的重要因素。
电堆水热管理---自管理化、策略高效化
质子交换膜燃料电池在运行过程中内部是一个很复杂的体系，其中水热管理是燃料电池中非常富有挑战性的综合性工程问题。质子交换膜燃料电池的水热管理影响电池内部反应气体的分布，而反应气体的分布又决定着电流的分布。若气体分布不均匀，引起局部缺气而不能产生电流，严重则引起反极，导致催化剂降解和电池性能衰减，对电池产生不可避免的伤害。因此，质子交换膜燃料电池内部的水热管理是决定电池性能的关键因素。在理想状态下，反应气体应尽可能地均匀到达电极表面，保证电流密度分布均匀，增加电池运行平稳性。因此合理、高效水热管理是燃料电池电堆高性能可靠运行的重要保障。良好的水热管理一方面依托于优秀的电池结构设计，另一方面则倚重于合理的控制策略。在高载荷下，电池产水量高，容易在阴极多孔层和流道中发生水淹问题，同时，高载荷下电堆散热需求量也会显着提升。在低载荷下，电极干燥将导致质子交换膜过度脱水，严重时导致多孔层间分离，造成电堆性能持续衰减。
来源：如皋市新能源汽车产业协会 吉林大学如皋研究院
