浅谈氢燃料电池汽车的主要结构

氢燃料电池汽车是一种使用燃料电池为发动机提供动力的电动汽车，与锂离子电池组相同，它们不会产生有害排放物，唯一的副产品是水蒸气。

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

辅助电池：在电动汽车中，低压辅助电池可在牵引电池启动前提供启动汽车的电力；它还可为汽车零部件供电。

动力电池组：这种高压电池可储存再生制动产生的能量，并为电动牵引电机提供补充动力。

DC/DC转换器：该装置将牵引电池组的高压直流电转换为运行车辆附件和为辅助电池充电所需的低压直流电。

牵引电机：该电机利用燃料电池和牵引电池组的电力驱动车辆的车轮。

燃料电池堆：利用氢气和氧气发电的独立膜电极组件。

燃料加注器：燃料加注机的喷嘴连接到车辆上的容器上，为油箱加注燃料。

储氢罐：在燃料电池需要氢气之前，将氢气储存在车内。

电控系统（FCEV）：该装置管理燃料电池和牵引电池提供的电能，控制电动牵引电机的速度及其产生的扭矩。

热管理系统（FCEV）：该系统可保持燃料电池、电动马达、电力电子设备和其他组件在适当的工作温度范围内。

变速箱（电动）：变速箱从电动牵引电机传输机械动力，驱动车轮。

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。

膜电极组件（MEA）

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。

双极板

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。

密封垫

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。