（1）電堆——雙極板

燃料電池雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要部件之一，為了實(shí)現(xiàn)雙極板所具有的各項(xiàng)功能，雙極板設(shè)置了多種功能結(jié)構(gòu)，主要包括燃料電池流場(chǎng)（包括燃料氣體流場(chǎng)和氧化劑氣體流場(chǎng)）、燃料氣體進(jìn)、出口、氧化劑氣體進(jìn)、出口、冷卻劑進(jìn)、出口及密封結(jié)構(gòu)等功能結(jié)構(gòu)。新源動(dòng)力股份有限公司開發(fā)的一種燃料電池雙極板（具體參見CN201611161409．7），其流場(chǎng)的一側(cè)就布置了燃料氣體進(jìn)（或出）口、氧化劑氣體進(jìn)（或出）口、冷卻劑進(jìn)（或出）口；豐田開發(fā)的燃料電池（具體參見ZL201510770584．5），其氧化劑氣體進(jìn)、出口是分布在燃料電池流場(chǎng)一個(gè)對(duì)邊的兩側(cè)，但是，該燃料電池雙極板的氧化劑氣體進(jìn)口（和出口）是由多個(gè)矩形開口并列成一排形成的，或者可以將氧化劑氣體進(jìn)口（和出口）看做是一個(gè)矩形開口，并且在矩形的長(zhǎng)邊方向每隔一定距離設(shè)置一個(gè)與矩形短邊平行的拉筋。由于拉筋的存在，會(huì)對(duì)燃料電池產(chǎn)生諸多不利影響，如減少氧化劑氣體進(jìn)、出口的流通面積，相應(yīng)減少氧化劑氣體進(jìn)、出口對(duì)氧化劑氣體流通的承載能力等，會(huì)對(duì)燃料電池的性能造成負(fù)面影響。

圖2－16 雙極板布局及流場(chǎng)示意圖

基于此CN109616685A公開了一種燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)，具體為雙極板設(shè)有氧化劑氣體進(jìn)口、氧化劑氣體出口、冷卻劑進(jìn)口、冷卻劑出口、燃料氣體進(jìn)口、燃料氣體出口、燃料電池流體流場(chǎng)，其特征在于：燃料電池流體流場(chǎng)位于雙極板的中部；氧化劑氣體進(jìn)口與氧化劑氣體出口設(shè)置于雙極板的一對(duì)對(duì)邊的兩邊的邊緣部；冷卻劑進(jìn)口、冷卻劑出口、燃料氣體進(jìn)口、燃料氣體出口分別設(shè)置于雙極板的另一對(duì)對(duì)邊的兩邊的邊緣部；氧化劑氣體進(jìn)口與氧化劑氣體出口的臨近燃料電池流體流場(chǎng)的開口的寬度為a；燃料電池流體流場(chǎng)的臨近氧化劑氣體進(jìn)口與氧化劑氣體出口邊緣處的寬度為b；a≥b。

雙極板的布局：氧化劑氣體進(jìn)、出口位于燃料電池流場(chǎng)相鄰邊的長(zhǎng)度方向上，氧化劑氣體進(jìn)、出口的寬度設(shè)計(jì)為大于或者等于燃料電池流場(chǎng)的寬度。這樣的雙極板布局，氧化劑氣體從氧化劑氣體進(jìn)口進(jìn)入燃料電池氧化劑氣體流場(chǎng)，參與電化學(xué)反應(yīng)后進(jìn)入氧化劑氣體出口，在整個(gè)過程中，流體的流動(dòng)呈直通狀態(tài)，流體在燃料電池氧化劑氣體流場(chǎng)寬度方向的流動(dòng)狀態(tài)分布均勻，有利于提高燃料電池性能。

（2）電堆——復(fù)合雙極板

雙極板是燃料電池的關(guān)鍵部件，根據(jù)制備材料的不同，可分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。復(fù)合雙極板具有制備材料來源廣泛、加工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，大幅度降低成本，流場(chǎng)可以直接模壓成型等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是存在電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度難以兼顧的缺點(diǎn)。如CN103746131A提出了一種將可溶性樹脂融入有機(jī)溶劑，再灌入石墨蠕蟲制備復(fù)合板的方法。該方法制備的雙極板在較低的壓力即可成型，具有較好的抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率。但是在實(shí)驗(yàn)過程中采用了二次模壓工藝，增加了制備過程中的工藝復(fù)雜性，降低了生產(chǎn)效率，還存在有機(jī)溶劑難以完全去除的難題。Daniel Adams等人采用了加入碳?xì)种虚g過渡層的方法，制得了一種“三明治”結(jié)構(gòu)的復(fù)合雙極板，該復(fù)合板具有較高的抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率，但是制備工藝相對(duì)復(fù)雜，制備成本偏高。

圖2－17 復(fù)合雙極板制備工藝

針對(duì)復(fù)合雙極板存在的問題，CN109599573A提出了一種碳／聚合物基復(fù)合雙極板，所述雙極板由PS樹脂、SEBS三嵌段共聚物、導(dǎo)電填料、纖維增強(qiáng)材料組成；所述雙極板中，PS樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6－30％，SEBS三嵌段共聚物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2－15％，導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50－90％，纖維增強(qiáng)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1－18％；將原料預(yù)處理、混勻后采用模壓成型工藝制備而成。制備工藝具體見上圖。

本燃料電池用復(fù)合雙極板，通過雙極板第一聚合物提供剛性、第二聚合物提供柔性，形成互穿網(wǎng)絡(luò)的耦合設(shè)計(jì)，再對(duì)含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得復(fù)合板可以在保證較高電導(dǎo)率的同時(shí)，兼具低的透氣率、良好的機(jī)加工性、優(yōu)異的電導(dǎo)率及耐蝕性。

2．6 清華大學(xué)

圖2－18 清華大學(xué)4月公開專利技術(shù)構(gòu)成

清華大學(xué)不僅為國內(nèi)科研能力強(qiáng)大的高校之一，同時(shí)還是豐田在中國推行燃料電池技術(shù)的合作伙伴。2019年4月，清華大學(xué)在燃料電池領(lǐng)域一共公開了20篇專利，涉及有電堆、動(dòng)力系統(tǒng)、熱管理、整車等。下面對(duì)本月清華大學(xué)公開的部分代表專利進(jìn)行介紹、分析。

（1）整車——零下啟動(dòng)

商用車的零下啟動(dòng)方法通常包括產(chǎn)熱和保溫兩種。其中產(chǎn)熱也可以分為外部加熱和系統(tǒng)自產(chǎn)熱兩種方式。采用外部加熱的方式有：燃料電池雙極板或端板加熱、進(jìn)氣加熱和冷卻液加熱；采用內(nèi)部加熱的方式目前報(bào)道的有：催化燃燒，儲(chǔ)氫放熱和相變材料三種方式。采用外部加熱方式需要加熱電堆，使其升溫到零上，這種方式一般需要消耗大量外部能源，且裝置較為復(fù)雜。采用系統(tǒng)自產(chǎn)熱的方式一般通過系統(tǒng)自身攜帶的燃料或者其他材料提供零下啟動(dòng)的能量，這種方式能夠減少外部能源的消耗，并且一般不需要破壞電池的原有結(jié)構(gòu)。如專利CN200610134075．4介紹了一種利用陰極反應(yīng)放熱來加熱電池的方法。該專利發(fā)明要點(diǎn)為：在－5℃～－20℃環(huán)境中，陰陽極氣體氛圍分別為氫氣、氧氣（空氣），通過直流電源加載大電流，在陰極生成氫氣，生成氫氣與氧氣在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)放熱，來進(jìn)行冷啟動(dòng)。由于零下啟動(dòng)氣體中基本無加濕，因此在大電流情況下極易發(fā)生膜干。此外，由于在陰極氫氣與氧氣反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水，生成水可能會(huì)結(jié)冰，結(jié)冰帶來的體積膨脹可能會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)，引發(fā)電池老化。

基于此，CN109585882A提供了一種燃料電池零下啟動(dòng)方法，具體為：1）提供含氫氛圍：在零下50℃到0℃的條件下，向燃料電池提供含氫氛圍，氫氣濃度為5％～100％；2）施加電流或電壓控制：在步驟1）提供的含氫氛圍下，向燃料電池施加電流或電壓控制，利用燃料電池的歐姆產(chǎn)熱、反應(yīng)熱及濃度過電勢(shì)產(chǎn)熱使燃料電池升至所需溫度或到達(dá)設(shè)定時(shí)間，完成燃料電池零下啟動(dòng)。其中，向燃料電池提供含氫氛圍的方式可為持續(xù)或間斷提供；步驟2）中施加的電流或電壓為直流或者交流等。

圖2－19 零下啟動(dòng)裝置

同時(shí)，基于零下啟動(dòng)方法，還提供了零下啟動(dòng)裝置，具體為：包括燃料電池、供氫裝置及電流發(fā)生裝置；其中，供氫裝置的出氣口同時(shí)與燃料電池的氫氣極和空氣極連通，或者供氫裝置的出氣口與燃料電池的氫氣極和空氣極中的任意一極連通、并將燃料電池的氫氣極和空氣極用管道連通，用于為燃料電池提供含氫氛圍；電流發(fā)生裝置的正負(fù)極分別與燃料電池的氫氣極和空氣極相連，用于為燃料電池施加電流或電壓控制。

通過該零下啟動(dòng)方法和裝置，可有效克服燃料電池在零下啟動(dòng)過程中因自產(chǎn)熱而產(chǎn)水結(jié)冰、裝置復(fù)雜成本高及耗能大等不足，并且該零下啟動(dòng)方法效率高，同時(shí)可避免水結(jié)冰帶來的問題。

（2）熱管理

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生與電能相當(dāng)?shù)臒崮�，如果不能及時(shí)有效的排除產(chǎn)生的熱能將會(huì)導(dǎo)致電堆溫度升高，高溫雖然能夠提高電極反應(yīng)，提高催化活性，但是過高的溫度會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜干燥，降低膜的性能，從而降低輸出特性和使用壽命，更進(jìn)一步，如果溫度失控，將會(huì)威脅系統(tǒng)以及工作人員的安全。因此對(duì)燃料電池的熱管理系統(tǒng)及其控制方法的研究是及其重要的。針對(duì)大功率電堆而言，一般通過液體冷卻的方式冷卻，液體源源不斷地均勻流入流出電堆并將熱量帶出，實(shí)現(xiàn)了電堆的溫度控制即熱管理。而液體均勻流通到每個(gè)發(fā)熱單電池的關(guān)鍵在于，在每個(gè)單電池的極板上均有設(shè)計(jì)加工好的流場(chǎng)便于液體均勻流通到單電池不同的發(fā)熱區(qū)域，從而將熱量盡可能均勻地帶出來，實(shí)現(xiàn)了電堆的熱量管理。

圖2－20 燃料電池系統(tǒng)示意圖

基于此，CN109560304A提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理方法，包括以下步驟：

1． 將石墨光板或金屬片兩側(cè)加工出氫氣／冷卻液流場(chǎng)通道和空氣流場(chǎng)通道，制成雙極板，所述通道有出入口；

2． 將步驟1）制成的雙極板與膜電極按照交叉疊加的方式，組裝成燃料電池電堆，該電堆只有兩路進(jìn)出口通道，一路為氫氣和冷卻液共用，另一路為空氣所用；

3． 將步驟2）組裝的燃料電池電堆接入到燃料電池系統(tǒng)，其中，將氫氣子系統(tǒng)和散熱子系統(tǒng)接入電堆的氫氣／冷卻液進(jìn)出口通道，將空氣子系統(tǒng)接入電堆的空氣進(jìn)出口通道；

4． 氫氣和冷卻液分別通過氫氣子系統(tǒng)的減壓裝置和散熱子系統(tǒng)的水泵匯入到電堆的氫氣／冷卻液入口，并流入電堆的陽極流場(chǎng)；多余的氫氣、散熱用的冷卻液及反應(yīng)產(chǎn)生的水，通過電堆的氫氣／冷卻液出口流出電堆；

5． 空氣通過空壓機(jī)輸送到燃料電池電堆的空氣入口，并流入燃料電池的陰極流場(chǎng)，反應(yīng)剩余的空氣及產(chǎn)生的水經(jīng)由電堆空氣出口流出。

圖2－21 氫氣／冷卻液流場(chǎng)通道示意圖（左）；空氣流場(chǎng)通道示意圖（右）

此方法開發(fā)出一款新型的陽極燃料與冷卻液并流的燃料電池雙極板。采用新的燃料電池雙極板工藝，僅需一塊極板，就能實(shí)現(xiàn)之前雙極板的功能，極板兩側(cè)分別為氫氣和空氣流場(chǎng)；此外，該極板省略掉了極板與極板的粘結(jié)工藝，大幅簡(jiǎn)化了工序并提高了工藝的可靠性，同時(shí)由于液體流場(chǎng)的省略，極板本身的厚度可大幅下降，厚度可降低20％－40％左右，大大提高了電堆的質(zhì)量、體積比功率，降低燃料電池密封裝配工藝難度；同時(shí)，燃料電池產(chǎn)生的熱量主要在膜電極區(qū)域，冷卻液在陽極燃料腔與燃料并流，更直接地與熱量接觸，提高了冷卻效率。