1. 质子膜燃料电池原理

氢燃料电池系统是由电堆、氢气供给循环系统、空气供给系统、热管理系统、电控系统和数据采集系统五大组成部分。

电控系统的DC-DC变换器可以把电堆产生的直流电降压后给给蓄电池充电，也可以在经过逆变器转变成交流电驱使牵引马达运转。牵引马达的供电源主要是电堆，蓄电池可以起到辅助作用。

热管理系统、电控系统和数据采集系统在燃油车应用了多年，技术比较成熟，而电堆、氢气供给循环系统、空气供给系统才是氢燃料电池发动机的特征，需要了解。在整车中，电堆的费用最高，而催化剂又是电堆中成本最高的。

1.电堆

电堆产生电能，是燃料电池动力系统的核心部件。电堆由多个燃料电池串联堆叠而成，形象称为电堆。燃料电池根据电解质的不同主要分为磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）5种，前三者由于工作温度高，应用方向是工业电力生产。AFC 和PEMFC都以氢气为燃料，但AFC满足不了车辆使用的要求，PEMFC是国内外车用燃料电池应用的首选。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的原理如下，

记得2019年5月采访青年牌燃料电池汽车的视频，一段说到反应生成的水都可以饮用，不知道是不是真的。乘用车车载储氢瓶一般储存6kg的高压氢气，可行驶600km，反应可生成50kg的水，相当于每行驶1米就有1~2滴水出来，小瓶矿泉水还需要买吗？

电堆由膜电极（由质子交换膜、催化剂、扩散层组成）、双极板、端板等组成。电堆结构里，膜电极和双极重复叠，形成电池的串联。

1.1膜电极

膜电极是燃料电池的核心部件，是氢气和氧气反应生成水的电化学反应场所。膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。

1.1.1质子交换膜

质子交换膜是一种固体电解质薄膜，应用最广泛的电解质为全氟磺酸聚合物，具有较高的质子透过能力，防止阳极的氢气和阴极的氧气接触，并且是催化剂的载体。我国已具备质子交换膜国产化能力。

1.1.2催化剂

催化剂的主要功能是降低电极反应的活化能，提高反应速度。铂碳（Pt/C）催化剂是车用燃料电池的主流催化剂。在电堆成本中占比达45%，因此，降低铂的用量和提升催化性能，有利于突破燃料电池成本瓶颈。

当前我国催化剂处于研发阶段，虽然国内不断有企业宣称建成了燃料电池催化剂生产线，但下游企业常选用进口Pt/C催化剂。

据悉2019年的 "水变氢"据悉也是用了一种特殊的催化剂，结果遭到整个舆论界的键盘敲打，90年代被冠以第五大发明称号的"水变油"看来很难被超越的。

1.1.3扩散层：起到反应物和生成物均匀分布作用，还起到稳定催化层并将催化层产生的电和热传导到双极板的作用。扩散层是由支撑层和涂覆在支撑层一侧的微孔层组成。支撑层一般为多孔的碳布、碳纸，微孔层为改善支撑层孔隙结构的一层碳粉。国内扩散层供应几乎全部被国外公司所垄断，而且作为基础材料的碳纤维基本被日本垄断。国内碳纸目前为小批量的生产水平。

1.2.双极板

双极板负责将氢气和空气分配到两个电极表面，收集电流和热量、为冷却液提供通道等作用。

双极板分为石墨双极板、金属双极板、复合材料双极板。金属双极板相较于石墨及复合双极板具有明显优势，是主流。石墨双极板国产较多，金属双极板、复合材料双极板较少。

2.氢气供给系统

主要部件有储氢瓶（罐）、减压阀、电磁阀和氢气回流泵。在安全性方面，储氢瓶最值得关注。储氢瓶分为5种类型，第III、IV、V型可用于车载储氢瓶， V型瓶处于全球研发中。

国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的IV型瓶，而中国IV型瓶还处于研发阶段，成熟产品只有35MPa和70Mpa的III型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用车样车上应用。

III型瓶的主要原材料为碳纤维，由于研发起步晚、原材料性能差等原因，国产碳纤维还不能满足车用储氢瓶的要求，主要依赖进口。未来车载高压气态储氢技术将向高压化、轻量化和低成本化方向发展。

当你意识到高压储氢瓶就在你的座椅下，会不会有点骑虎难下的感觉，听说车载储氢瓶能挡子弹，但是燃油车的油箱、新能源车的液态电池基本上怕子弹吧，这样说来安全性可以保证吧。

3.空气供给系统

空气供给系统主要包括滤清器、空气压缩机（空压机）、增湿器，重要部件为空压机。空压机是为电池正极提供空气的设备，常用空压机分为罗茨式、涡旋式空压机、螺杆空压机和离心式空压机，各有各的优缺点。

目前车载空压机的主流是罗茨式空压机和离心式空压机。我国的车用燃料电池电动汽车技术起步较晚，目前国内只有很少几家能够生产燃料电池发动机专用压缩机，且还达不到完全产品化的水平，主要存在转速低、寿命低、效率低等主要问题。

总的说，氢燃料电池汽车概念比较火，但是普及还是挺遥远的，要保持冷静、客观。

2. 质子膜燃料电池的组成

新能源汽车电池可以分为两大类，即蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯新能源汽车，可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福及镍一锌电池）、钠ß电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、空气电池等类型。

而燃料电池专用于燃料电池新能源汽车，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等类型。

3. 氢燃料电池质子交换膜

目前性能最好的一种离子交换膜。

前者只能通过质子，即氢正离子。后者允许阳离子通过，包括氢正离子。

质子膜是质子交换膜燃料电池的核心所在，主要职能是隔绝燃料和氧化剂，同时传导离子。最具代表性的是Nafion膜，其具有出色的质子传导能力、化学稳定性和机械性能。

离子膜,一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。

4. 质子交换膜氢燃料电池的工作原理

氢燃料电池汽车也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。

基本工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），与氧原子和氢离子重新结合为水。

由于氢燃料电池车最后只排放水，和纯电动汽车一样也是一种终端排放无污染的汽车。

氢燃料电池是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术，不同于传统蓄电池以储能的方式的提供电能。氢燃料电池则是通过氢气氧气间的电化学反应，将化学能转变成为电能，只要具备充足的氢气源和氧气源（空气源），这个转化过程就可以一直持续下去。

相比较传统蓄电池，氢燃料电池有以下优点：

•工作环境要求低，温度适应性好；

•使用寿命长，可靠性高；

•在氢气供应充足的条件下，能够连续工作；

•易于保养和维护，后期保养费用低；

•环保绿色，适用范围广；

•体积相对较小，重量轻，方便存储和运输。

燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。

当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。

电极反应为：

•阳极（负极）：H2 → 2H+ + 2e

•阴极（正极）：1/2O2+ 2H+ + 2e → H2O

•电池反应：H2 +1/2O2 → H2O

5. 质子膜燃料电池原理图解

日本氢能源汽车原理如下：氢分子通过燃烧与氧分子结合产生热能和水。氢燃料电池通过液态氢与空气中的氧结合而发电，根据此原理而制成的氢燃料电池可以发电用来推动汽车，提供家庭或工业用电或作为手机电池。一原理说起来很简单，但具体分析的话就会发现，其实提炼氢燃料的过程非常复杂，而且能耗也非常高。

6. 质子膜燃料电池原理是什么

氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。

7. 质子膜燃料电池原理图

首先，质子就是氢离子，所以质子交换膜燃料电池就是在酸性条件下发生的电极反应而已。如氢氧燃料电池：负极：H2-2e=2H+，正极：O2+4e+4H+=2H2O。其他燃料电池电极反应式以此类推即可。