Automobile Technology & Material
质子交换膜燃料电池核心部件分析
常雪嵩1,2 张兴法1,2 杨春玲1,2 于鹏飞1,2 胡佳佳1,2 马京卫1,2 （1.长城汽车股份有限公司，保定 071000；2.河北省车用发动机技术创新中心，保定 071000）
摘要：对质子交换膜燃料电池工作原理、结构进行分析，重点对质子交换膜燃料电池的双极板、质子交换
膜、电催化剂、膜电极关键部件进行分析研究，质子交换膜燃料电池生产成本高是影响商业化普及的重要原因，未来随着质子交换膜燃料电池技术的进步，生产成本将大幅度降低，有望在汽车产业得到广泛应用。关键词：质子交换膜燃料电池 双极板 质子交换膜 电催化剂 膜电极
中图分类号：U466 文献标志码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230112
DOI:
Analysis of Core Components of Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Chang Xuesong1,2, Zhang Xingfa1,2, Yang Chunling1,2, Yu Pengfei1,2, Hu Jiajia1,2, Ma Jingwei1,2
（1. Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding 071000; 2. Hebei Automotive Engine Technology Innovation Center, Baoding 071000）
Abstract： This paper analyzed the working principle and structure of PEMFC with emphasis on the key components of bipolar plate, proton exchange membrane, electrocatalyst and membrane electrode. The high production cost is the main factors hindering the commercial popularization of PEMFC. In the future with the technological advance of PEMFC, production cost will decline dramatically, PEMFC is expected to be widely applied in the automotive industry. Key words: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Bipolar plate, Proton exchange membrane, Electrocatalyst, Membrane electrode
1 前言
燃料电池能够将化学能转化为电能，具有效
率高、环保的优点。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel CELL，PEMFC）是应用广泛
的一种燃料电池，一般采用铂/钌或铂/碳为电催
PEMFC化剂，全氟磺酸膜作为电解质[1- 12]。 的电
催化剂以铂（Pt）为主，早期直接采用铂黑作为电Pt 10 mg/cm2
极催化剂， 载量为 ，分散度低，粒度
PT/C
较大，成本高，目前大多采用负载型 电催化
。PEMFC
剂[2]
技术成熟，但由于膜和催化剂的成本
PEMFC
高，限制了其推广应用。膜电极是 的关键部件，由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成，
[3]。
直接影响电池性能、成本以及比功率和比能量
因此，PEMFC
的电催化剂及膜电极是近年来研究
的热点[13-19]
。
2 PEMFC的发展历史及现状
1960 ~1969
年 年，美国航空航天局研发了
PEMFC PEMFC
，但效果不理想。最开始， 多为军用。随后，美国、德国等发达国家投入了大量的人
力物力，PEMFC
技术有了明显提升[20-21]
。
作者简介：常雪嵩（1990—），男，工程师，学士学位，研究方向为汽车发动机设计开发。
参考文献引用格式：
常雪嵩, 张兴法, 杨春玲, 等. 质子交换膜燃料电池核心部件分析[J].汽车工艺与材料, 2024(3): 32-39.
CHANG X S, ZHANG X F, YANG C L, et al. Analysis of Core Components of Proton Exchange Membrane Fuel Cell[j]. Automobile Technology & Material, 2024(3): 32-39.
1990 年~1999年，PEMFC
发展迅速，出现了以
PEMFC
作为动力的汽车、潜艇和电站等。德国的
PEMFC 1）搭载了不依赖空气推进（Air In⁃
潜艇（图
dependent Propulsion，aip）系统[22-23]。在 2010
年，华
PEMFC
南理工大学自主设计并完成了全球最大的
2）。
示范电站（图
PEMFC
当前，国内 技术已经与国外相当。考
PEMFC
虑到成本，千瓦级的 技术并没有大规模应
PEMFC
用。制约 发展的关键因素为材料价格和组
装工艺[24-25]。2002
年，中国科学院大连化学物理研
60 kw PEMFC
究所设计完成了第二代 发动机，在
2004
清华大学完成了混合动力测试并于 年在客车
上搭载。2008
年，燃料电池在北京公交上搭载[26]
。
3 PEMFC的工作原理和关键部件
PEMFC
主要由双极板、质子交换膜、电催化剂和膜电极组成。燃料电池反应是电解水的逆过程，而质子交换膜燃料电池则是氢和氧发生化学3
反应产生水和电能。图 为质子交换膜燃料电池的原理结构。
4
双极板
双极板是燃料电池的关键部件，主要功能是支撑、电流集中化，分开氧化剂与还原剂并将其引到电极表面流动，即分割氧化剂与还原剂，具有集流作用，同时支撑膜电极，保持电池堆结构稳定。
双极板不能用多孔透气材料，是电的良导体，具有一定的强度，能适应电池的工作环境，具有抗腐蚀能力。根据材质的不同，双极板可以分为石墨板（包括无孔石墨板和注塑石墨板）、金属板和复合双极板。图3 质子交换膜燃料电池原理结构
无孔石墨板的优点是化学稳定性好、导电率高、阻气性能好，缺点是比较脆、机械加工难度
Ballard Mark500
高、成本高。加拿大 公司开发的
5kw ）、Mark513（10 kw）和Mark700（25～30 kw）
（电池均采用无孔纯石墨双极板。
注塑石墨板一般采用树脂与碳粉或石墨粉、导电胶混合制成。为了提高导电性，需添加金属粉末和细金属网。为了提高强度，需加入碳纤维、陶瓷纤维。该方案有利于降低成本、缩短生产周
期。Emanuelson
等[27]将纯石墨粉和炭化热固化树
1∶1
脂按照 的比例混合制成双极板，通过石墨化，
3.8 mm，电阻率和纯石墨相比提
石墨板厚度可达
10
高了约 倍，适用于磷酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。该双极板化学稳定性好，降低了机械加工成本。
316、钛5、镍，具有
常用的金属板有铝、不锈钢良好的导电及热传导性能，金属材料能够隔离氧化剂和还原剂，同时具有良好机械加工性能，加工流通槽方便。其缺点是易腐蚀，燃料电池不能长期稳定工作，腐蚀会增大双极板和膜电阻扩散层阻力，降低电池输出功率。
复合双极板可分为金属基复合双极板和碳基复合材料双极板。金属基复合双极板稳定性好、成本低。碳基复合材料制作工艺简单、周期短、成