圖1 質(zhì)子交換膜電池工作原理

 燃料電池電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，維系著整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程。燃料電池電堆由多片單電池組成，單電池則由雙極板、膜電極（包含質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層等）和密封件等構(gòu)成。

圖2 燃料電池電堆的構(gòu)成

 隨著材料科學(xué)、制造工藝、裝配技術(shù)的日益進(jìn)步，提升功率密度和耐久性、降低成本逐漸成為燃料電池規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要趨勢(shì)。因此，開展合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)與膜電極設(shè)計(jì)工作尤為重要。同時(shí)，大功率密度、高冷啟動(dòng)性能、自增濕以及車用工況的匹配等也對(duì)燃料電池水熱管理策略提出了更高的要求。

雙極板設(shè)計(jì)

薄板化(緊湊化)、有序化

雙極板是電池結(jié)構(gòu)的重要組件，在燃料電池運(yùn)行中發(fā)揮著項(xiàng)重要功能——導(dǎo)電、導(dǎo)氣與導(dǎo)熱，金屬雙極板的導(dǎo)電性與材料物性以及雙極板表面改性技術(shù)息息相關(guān)。氣體分配與散熱過程則與雙極板的流場(chǎng)設(shè)計(jì)關(guān)系密切。此外，大量的研究工作也已表明，流場(chǎng)的排水能力是限制燃料電池極限電流密度提升的重要因素。

雙極板是電堆質(zhì)量的主要構(gòu)成部分（80%wt）。一方面，雙極板的薄板化是電堆小型化、輕量化、高功率密度化設(shè)計(jì)的主要方向。另一方面，薄板化也能通過降低電堆的質(zhì)量熱容提升電池?zé)峁芾硇剩鰪?qiáng)零下環(huán)境中的低溫啟動(dòng)響應(yīng)效率。因此，薄板化是當(dāng)前金屬雙極板設(shè)計(jì)的主要方向。作為氣體分配、散熱的主要功能部件，雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)關(guān)乎到反應(yīng)氣快速、且均勻地傳輸至催化層的三相反應(yīng)位點(diǎn)，一定程度上決定了電堆的整體運(yùn)行特性。

流場(chǎng)設(shè)計(jì)的高維度化與有序化也是雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。本田公司旗下燃料電池汽車Clarity中搭載的電堆采用了二維波紋形流場(chǎng)設(shè)計(jì)，提升了氣體在流道中傳輸時(shí)與壁面碰撞的概率，增強(qiáng)了垂直膜電極方向的強(qiáng)制對(duì)流過程，提升了氣體利用效率。同時(shí)，在冷卻流場(chǎng)設(shè)計(jì)方面采用了“2MEA+3隔板+1冷卻流道”的單元設(shè)計(jì)方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了薄板化設(shè)計(jì)。

豐田公司的商業(yè)化燃料電池汽車Mirai則采用了經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過密布的導(dǎo)流槽引導(dǎo)氣體向擴(kuò)散層表面的平滑有序化流動(dòng)，同時(shí)通過導(dǎo)流槽上下表面的親疏水改性處理以及導(dǎo)流槽的周期性波紋陣列實(shí)現(xiàn)了水、氣流動(dòng)的兩相分離，在提升氣體利用效率的同時(shí)，增強(qiáng)了排水能力。

此外，雙極板結(jié)構(gòu)的薄板化和復(fù)雜化的同時(shí)，也須兼顧力學(xué)設(shè)計(jì)，避免厚度降低、復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的材料強(qiáng)度降低、破壞的問題。

膜電極設(shè)計(jì)

低鉑載量、薄膜化

燃料電池電堆的主要成本在于膜電極，膜電極主要成本則在于催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，使用貴金屬的催化劑成本占比會(huì)越來越高。因此在保證足夠的功率輸出的情況下，如何降低膜電極中貴金屬催化劑Pt粉的使用量，是降低燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。

目前這方面的研究可分為兩個(gè)方向：一是發(fā)展非貴金屬催化劑，實(shí)現(xiàn)Pt催化劑的*替代或部分替代；二是通過開發(fā)納米結(jié)構(gòu)的催化劑合金顆粒和催化劑載體材料，減少催化劑載體的腐蝕以及承載更加穩(wěn)定和活性更高的催化劑，從而提高催化劑的利用率。

此外，開發(fā)更薄的質(zhì)子交換膜也是降低成本和提高性能（更低的離子傳導(dǎo)損失）的重要手段，但是需要警惕氣體滲透增強(qiáng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

電堆水熱管理

自管理化、策略化

合理、水熱管理是燃料電池電堆高性能可靠運(yùn)行的重要保障。良好的水熱管理一方面依托于的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一方面則倚重于合理的控制策略。在高載荷下，電池產(chǎn)水量高，容易在陰極多孔層和流道中發(fā)生水淹問題，同時(shí)，高載荷下電堆散熱需求量也會(huì)顯著提升。在低載荷下，電極干燥將導(dǎo)致質(zhì)子交換膜過度脫水，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致多孔層間分離，造成電堆性能持續(xù)衰減。

近年來，隨著燃料電池系統(tǒng)小型化需求的不斷深入和成本控制要求，電池增濕方式也逐漸由外增濕向陽(yáng)極循環(huán)自增濕轉(zhuǎn)變，以取消外增濕器的系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)。這也對(duì)燃料電池水熱管理策略的合理制定與在線控制提出了更高的要求。在低載荷下，電池產(chǎn)水量小，采用合理的陽(yáng)極循環(huán)比、保證電解質(zhì)的足夠濕潤(rùn)尤為重要。而在高載荷下，隨著產(chǎn)水量的提升，催化層內(nèi)電解質(zhì)的高潤(rùn)濕程度也影響著電化學(xué)反應(yīng)平均位置與有效反應(yīng)面積的改變，同時(shí)控制電池溫度保持以良好的電堆散熱效率、維持電堆溫度均一性以避免電池性能單低問題、加快流道排水過程以避免過度水淹等都是水熱管理策略需要關(guān)注的重點(diǎn)問題。在工程應(yīng)用中，在正向設(shè)計(jì)和過程控制中均需兼顧水熱管理問題。

圖4 燃料電池的陽(yáng)極循環(huán)自增濕

 目前捷氫科技的電堆產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)由以往的P240、P260的外增濕向新一代P360、P390的自增濕的技術(shù)轉(zhuǎn)變，水熱管理策略已實(shí)現(xiàn)大幅優(yōu)化。