氫燃料電池系統(tǒng)是由電堆、氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五大組成部分。

電控系統(tǒng)的DC-DC變換器可以把電堆產(chǎn)生的直流電降壓后給給蓄電池充電，也可以在經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變成交流電驅(qū)使?fàn)恳R達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。牽引馬達(dá)的供電源主要是電堆，蓄電池可以起到輔助作用。

熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在燃油車應(yīng)用了多年，技術(shù)比較成熟，而電堆、氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)才是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的特征，需要了解。在整車中，電堆的費(fèi)用最高，而催化劑又是電堆中成本最高的。

1.電堆

電堆產(chǎn)生電能，是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件。電堆由多個(gè)燃料電池串聯(lián)堆疊而成，形象稱為電堆。燃料電池根據(jù)電解質(zhì)的不同主要分為磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、堿性燃料電池（AFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）5種，前三者由于工作溫度高，應(yīng)用方向是工業(yè)電力生產(chǎn)。AFC 和PEMFC都以氫氣為燃料，但AFC滿足不了車輛使用的要求，PEMFC是國(guó)內(nèi)外車用燃料電池應(yīng)用的首選。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的原理如下，

記得2019年5月采訪青年牌燃料電池汽車的視頻，一段說(shuō)到反應(yīng)生成的水都可以飲用，不知道是不是真的。乘用車車載儲(chǔ)氫瓶一般儲(chǔ)存6kg的高壓氫氣，可行駛600km，反應(yīng)可生成50kg的水，相當(dāng)于每行駛1米就有1~2滴水出來(lái)，小瓶礦泉水還需要買嗎？

電堆由膜電極（由質(zhì)子交換膜、催化劑、擴(kuò)散層組成）、雙極板、端板等組成。電堆結(jié)構(gòu)里，膜電極和雙極重復(fù)疊，形成電池的串聯(lián)。

1.1膜電極

膜電極是燃料電池的核心部件，是氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所。膜電極包括質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層。

1.1.1質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是一種固體電解質(zhì)薄膜，應(yīng)用最廣泛的電解質(zhì)為全氟磺酸聚合物，具有較高的質(zhì)子透過(guò)能力，防止陽(yáng)極的氫氣和陰極的氧氣接觸，并且是催化劑的載體。我國(guó)已具備質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化能力。

1.1.2催化劑

催化劑的主要功能是降低電極反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速度。鉑碳（Pt/C）催化劑是車用燃料電池的主流催化劑。在電堆成本中占比達(dá)45%，因此，降低鉑的用量和提升催化性能，有利于突破燃料電池成本瓶頸。

當(dāng)前我國(guó)催化劑處于研發(fā)階段，雖然國(guó)內(nèi)不斷有企業(yè)宣稱建成了燃料電池催化劑生產(chǎn)線，但下游企業(yè)常選用進(jìn)口Pt/C催化劑。

據(jù)悉2019年的 "水變氫"據(jù)悉也是用了一種特殊的催化劑，結(jié)果遭到整個(gè)輿論界的鍵盤敲打，90年代被冠以第五大發(fā)明稱號(hào)的"水變油"看來(lái)很難被超越的。

1.1.3擴(kuò)散層：起到反應(yīng)物和生成物均勻分布作用，還起到穩(wěn)定催化層并將催化層產(chǎn)生的電和熱傳導(dǎo)到雙極板的作用。擴(kuò)散層是由支撐層和涂覆在支撐層一側(cè)的微孔層組成。支撐層一般為多孔的碳布、碳紙，微孔層為改善支撐層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉。國(guó)內(nèi)擴(kuò)散層供應(yīng)幾乎全部被國(guó)外公司所壟斷，而且作為基礎(chǔ)材料的碳纖維基本被日本壟斷。國(guó)內(nèi)碳紙目前為小批量的生產(chǎn)水平。

1.2.雙極板

雙極板負(fù)責(zé)將氫氣和空氣分配到兩個(gè)電極表面，收集電流和熱量、為冷卻液提供通道等作用。

雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板、復(fù)合材料雙極板。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)，是主流。石墨雙極板國(guó)產(chǎn)較多，金屬雙極板、復(fù)合材料雙極板較少。

2.氫氣供給系統(tǒng)

主要部件有儲(chǔ)氫瓶（罐）、減壓閥、電磁閥和氫氣回流泵。在安全性方面，儲(chǔ)氫瓶最值得關(guān)注。儲(chǔ)氫瓶分為5種類型，第III、IV、V型可用于車載儲(chǔ)氫瓶， V型瓶處于全球研發(fā)中。

國(guó)外乘用車已經(jīng)開(kāi)始使用質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度更高的IV型瓶，而中國(guó)IV型瓶還處于研發(fā)階段，成熟產(chǎn)品只有35MPa和70Mpa的III型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用車樣車上應(yīng)用。

III型瓶的主要原材料為碳纖維，由于研發(fā)起步晚、原材料性能差等原因，國(guó)產(chǎn)碳纖維還不能滿足車用儲(chǔ)氫瓶的要求，主要依賴進(jìn)口。未來(lái)車載高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)將向高壓化、輕量化和低成本化方向發(fā)展。

當(dāng)你意識(shí)到高壓儲(chǔ)氫瓶就在你的座椅下，會(huì)不會(huì)有點(diǎn)騎虎難下的感覺(jué)，聽(tīng)說(shuō)車載儲(chǔ)氫瓶能擋子彈，但是燃油車的油箱、新能源車的液態(tài)電池基本上怕子彈吧，這樣說(shuō)來(lái)安全性可以保證吧。

3.空氣供給系統(tǒng)

空氣供給系統(tǒng)主要包括濾清器、空氣壓縮機(jī)（空壓機(jī)）、增濕器，重要部件為空壓機(jī)?？諌簷C(jī)是為電池正極提供空氣的設(shè)備，常用空壓機(jī)分為羅茨式、渦旋式空壓機(jī)、螺桿空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。

目前車載空壓機(jī)的主流是羅茨式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)。我國(guó)的車用燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)只有很少幾家能夠生產(chǎn)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)專用壓縮機(jī)，且還達(dá)不到完全產(chǎn)品化的水平，主要存在轉(zhuǎn)速低、壽命低、效率低等主要問(wèn)題。

總的說(shuō)，氫燃料電池汽車概念比較火，但是普及還是挺遙遠(yuǎn)的，要保持冷靜、客觀。

標(biāo)簽：車用介紹系統(tǒng)