催化劑

催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，其作用促進氫、氧在電極上的氧化還原過程。目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑。

陽極反應：陽極電催化劑表面的氫氣氧化反應(HOR)，整體氧化反應可以表示為：

陰極反應：陰極電催化劑表面的氧還原反應(ORR)，整體反應可表示為：

目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑，當前鉑金用量已經降至可接受水平，根據DOE數據，2015年Pt含量達到0.16g/kw，質量比活性大于0.5A/mg。

本田FCV燃料電池催化劑Pt含量降至0.12g/kw，豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達0.175g/kw。

Pt質量比活性可以通過提高表面Pt的面積比活性來改善，改變表面Pt面積比活性的重要理論指導是Pt與其他金屬發生相互間作用后，Pt原子的幾何結構和電子結構發生改變。

主要研究方向有Pt合金催化劑、Pt單層催化劑、Pt納米管和Pt核殼等：研究非Pt催化劑替代，包括鈀基催化劑和非貴金屬催化劑。

氣體擴散層

多孔氣體擴散層將膜電極組合體夾在中間，主要起氣體擴散的作用。

多孔擴散層的主要功能包括：

①實現氣體在催化層表面的擴散;

②提供機械支撐;

③導通電流;

④排除反應生成水。

擴散層的材質是經疏水材料處理的碳基材料(碳紙或碳布)。疏水材料的作用是防止水在擴散層孔中積聚，影響氣體擴散。

不同擴散層材料性能指標

氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙，也有的利用泡沫金屬、金屬網等來制備，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結構的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及產生水均勻分配。

工藝方面，氣體擴散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。

濕法造紙技術制備的擴散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過調節酚醛樹脂的量來控制孔隙率的大小，有利于加工成滿足實際需求的炭紙。

濕法制碳紙工藝

雙極板

雙極板也叫做流場板，是構成質子交換膜燃料電池重量和體積的主要部分。

它的主要作用有：

1)把反應物通過機加工的通道送到膜電極組，

2)將反應物擴散到電極表面，

3)收集電化學反應產生的電流。雙極板需要有良好的導電性和導熱性，良好的力學強度和化學穩定性。

現在也有大量開發新材料的研究，其目的是減輕雙極板的重量，從而提高燃料電池的功率密度，但均有一定的缺點。

雙極板上的流道對于雙極板的性能非常重要，不同幾何形狀的流道在反應物的導流上具有重要影響。

雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。雙極板材料主要包括石墨、金屬以及復合材料三類。

石墨基雙極板在燃料電池的環境中具有非常良好的化學穩定性，同時具有很高的導電率，是目前質子交換膜燃料電池研究和應用中最為廣泛的材料。

金屬材料相比石墨材料具有更好的導電和熱傳導性能，同時金屬材料良好的機加工性能會大大降低雙極板的加工難度。

復合材料雙極板能較好地結合石墨板與金屬板的優點，使電堆裝配后達到更好的效果。

三種常用雙極板性能比較

乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復合雙極板具有明顯優勢。

如日本豐田Mirai燃料電池汽車用金屬雙極板PEMFC模塊的功率密度達到3kW/L，英國IntelligentEnergy的新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度達到5kW/L。

金屬雙極板使PEMFC模塊的功率密度大幅提升，金屬雙極板已成為乘用車燃料電池的主流雙極板。目前金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。

雙極板上的流道

為了增大反應面積，可以將燃料電池內部設計成多種不同的“流道”，使得在體積一定的情況下，反應接觸的面積更大，相應的效率也更高。“流道”的設計如下圖所示。

雖然單體燃料電池結構比較簡單，但燃料電池堆的運作實際上非常復雜。燃料電池系統中還具有發揮水管理、熱管理和功率調節等作用的組件，各組件構精密配合方能完成燃料電池的能量轉換，并且事先還需要反復和精準的計算機模擬。

例如，如果沒有良好的水管理，燃料電池水產生和水除去將失去平衡。質子交換膜在濕度為30時氫離子導電率嚴重下降，15時成為絕緣體。

而反應產生的熱量很可能加劇水的蒸發，因此需要加濕器來進行加濕。而同時，陰極產生的水則容易淹沒電池，導致氧氣(空氣)無法擴散到電極，降低工作性能。