燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV），是利用氫氣和空氣中的氧在燃料電池中經催化劑作用，由電化學反應產生的電能作為主要動力源驅動的汽車。由于作為汽車能量供給的燃料電池是通過相對純凈的化學反應使氫氣、甲醇等清潔能源產生電流，這使得燃料電池本身具有安全性高、對環境友好等特點，加之燃料電池汽車本身具有純電動汽車所沒有的續駛里程局限小和補充能量快的特點，使得燃料電池汽車成為汽車行業在解決全球能源和環境等問題最理想的方案之一，也是未來氫能下游產業鏈的主要發展領域。燃料電池作為燃料電池汽車中的核心部件，其相關技術的發展直接影響燃料電池汽車的性能。根據使用電解質種類，燃料電池可分為質子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、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）、直接甲醇燃料電池（DM-FC）等。其中，PMEFC具有發電效率高、無污染、無噪聲、冷啟動快以及比功率高等優點，應用廣泛，在交通領域被視作是化石能源發動機的替代品。PEMFC的結構單元主要由膜電極組件和雙極板構成，其中膜電極組件是由質子交換膜、催化劑與氣體擴散層組合而成，是原料發生反應的場所，雙極板是由帶流道的金屬或石墨薄板構成,具體結構如下圖所示：
（來源：WILBERFORCE T,EL-HASSAN Z,KHATIB F N《Development of Bi-polar plate design of PEM fuel cell using CFD techniques》)
燃料電池開始工作后，O2和H2作為反應氣體分別從陰極流道和陽極流道進入擴散層，H2進入陽極的催化層在催化劑的作用下分解為H+和電子，H+與水分子形成H3O+，H3O+可以通過擴散作用從濃度較高的陽極順濃度梯度穿過質子交換膜到達陰極，與陰極催化層的O2發生反應，生成H2O從陰極排出，而電子無法穿過質子交換膜,便會順著外部電路到達陰極，產生電流，將燃料的化學能轉化為電能。該過程涉及的反應式如下:陰極反應：02(g)+4H+(aq)+4e→2H2O(1)膜電極的耐久性直接決定燃料電池電堆的耐久性，進而影響燃料電池汽車的使用壽命。目前，國內已有一批可以獨立研發、生產膜電極的企業，如武漢理工氫電科技有限公司、鴻基創能科技有限公司、蘇州擎動動力科技有限公司等。從產品性能來看，我國研發的膜電極在主要性能參數方面與國際水平接近，已基本滿足產業化需求，下表為國內外膜電極性能參數對比：（來源：Trend Bank，華經產業研究院整理）
雙極板是PEMFC的核心元件，具體功能是提供氣流通道，防止燃料電池氣室中的氫氣和氧氣串通，并在串聯的陰極和陽極之間建立電流通路。目前較常用的雙極板有石墨雙極板、復合材料雙極板和金屬雙極板。我國石墨雙極板技術水平比較成熟，多家企業生產的石墨雙極板部分性能都已達國際先進水平。如上海弘竣實業有限公司通過浸漬工藝，將石墨雙極板的孔隙率減少了95%以上；嘉裕碳素生產的石墨雙極板單面有槽厚度在0.5mm，雙面有槽厚度在0.8mm，單組石墨雙極板的厚度在1.3mm左右，提前突破了國家制定的2025年前單組石墨雙極板厚度1.5mm的要求；上海弘楓實業有限公司成功研發了超薄石墨雙極板，大大減少燃料電池堆的體積和重量，性能優異，運行穩定。我國金屬和復合材料雙極板技術起步較晚，仍有較大的提升空間，相關企業有新源動力股份有限公司、上海冶臻新能源裝備有限公司、愛德曼氫能源裝備有限公司等。金屬雙極板方面，我國在涂層技術上已實現突破，開發了多種具有自主知識產權的石墨基、鈦鉻基納米復合涂層，并應用于金屬極板。此外，金屬雙極板的設計技術也取得較大進展，開發出無須增濕金屬雙極板，利用波紋流場結構對板面流體進行合理分配，并通過對波紋周期參數的調節實現不增濕條件下的堆內保水。復合材料雙極板方面，它能較好地結合石墨板與金屬板的優點，具有密度低、抗腐蝕、易成型的特點，能夠使電堆裝配后達到更好的效果。但是，由于其加工周期長、長期工作可靠性較差，在我國應用較少。從我國燃料電池汽車產業發展歷程來看，未來的燃料汽車產業發展需要相關技術的不斷推進。目前，在質子交換膜燃料電池領域我國已取得顯著進展，多家企業先后趕超國際標準，但我國在技術水平上較技術領先國仍有較大差距，未來仍需加強研究方面的投入。同時，我國燃料電池汽車雖在燃料電池電堆的關鍵材料、動力系統的核心部件、整車集成和氫能基礎設施的核心技術等方面有所突破，但大部分研究集中于實驗室研究階段，實際應用不足，難以將研究理論成果轉化為實際產業效能，未來需結合政府氫能政策，聯合上下游產業，建立大規模供給生產線，以實際應用刺激相關技術的再進步。2.黃天縱，陳輝，吳勇，陶冠宇，夏思瑤，夏春懷《質子交換膜燃料電池雙極板的研究進展》3.王桂蕓，王旭，張藝書《中國車用燃料電池技術及產業化進展》4.張偉，向洪坤《燃料電池汽車基本技術及發展綜述》5.吳婷，鐘叔華《燃料電池汽車PEMFC技術空間分布及其演變》
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2022-07-12
趙宇迪999000
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