图1燃料电池工作原理
与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统。典型的燃料电池发电系统组成如图2所示，除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等，其主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆（或模块）组成了燃料电池发电系统。燃料电池系统的复杂性给运行的可靠性带来了挑战。
图2燃料电池系统组成
图3燃料电池汽车动力链组成
2）Pt核壳催化剂利用非Pt材料为支撑核，表面贵金属为壳的结构，可降低Pt用量，提高质量比活性，是下一代催化剂的发展方向之一。如采用欠电位沉积方法制备的Pt-Pd-Co/C单层核壳催化剂总质量比活性是商业催化剂Pt/C的3倍，利用脱合金(de-alloyed)方法制备的Pt-Cu-Co/C核壳电催化剂，质量比活性可达Pt/C的4倍。Wang等人制备了以原子有序的Pt3Co为核，2-3个原子层厚度的铂为壳的核壳结构纳米颗粒，质量比活性与面积比活性分别提高到2倍和3倍，经过5000圈电压循环扫描测试后，原子有序的核壳结构几乎未发生改变。大连化物所以Pd为核、Pt为壳制备了Pd@Pt/C核壳催化剂，利用非Pt金属Pd为支撑核，Pt为壳的核壳结构，可降低Pt用量，提高质量比活性。测试结果表明氧还原活性与稳定性好于商业化Pt/C催化剂（如图6所示），其性能在电堆中的验证还在进行中。
炭纸
自制炭纸
商品炭纸
空隙率/%
78.7
78
透气率/ml·mm·cm-2·hr-1·mmAq-1
2278
1883
石墨化度/%
82.2
66.5
电阻率/mΩ.cm
2.17
5.88
拉伸强度/N·cm
30.2
50
除了改进气体扩散层的导电功能外，近些年对气体扩散层的传质功能研究也逐渐引起人们重视，日本丰田公司，为了减少高电流密度下的传质极化，开发了具有高孔隙结构、低密度的扩散层（如图9），扩散能力提高比原来提高了2倍，促进了燃料电池性能的提高。此外，微孔层的水管理功能逐渐引起研究者的重视，通过微孔层的修饰、梯度结构等思想，可以一定程度上改进水管理功能,,,,。
图10MEA组成示意图目前，国际上已经发展了三代MEA技术路线：一是把催化层制备到扩散层上(GDE)，通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟；二是把催化层制备到膜上(CCM)，与第一种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性；三是有序化的MEA，把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。其中第一代、第二代技术已基本成熟，国内新源动力、武汉新能源等公司均可以提供膜电极产品，大连化物所开发了催化层静电喷涂工艺，与传统喷涂工艺的CCM进行比较，其表面平整度得到改善，所制备的催化层结构更为致密，降低了界面质子、电子传递阻力，并进行了放大实验，在常压操作条件下单池性能可达0.696V@1Acm-2，加压操作条件下可提高至0.722V@1Acm-2，其峰值单位面积功率密度达到895-942mWcm-2（如图11所示）。
大连化物所研究团队从设计、制备、操作三方面出发进行调控，通过模拟仿真手段研究流场结构、阻力分配对流体分布的影响，找出关键影响因素，重点研究了水的传递、分配与水生成速度、水传递系数、电极/流场界面能之间的关系，掌握了稳态与动态载荷条件对电堆阻力的影响，保证电堆在运行过程中保持各节单池均一性，额定点工作电流密度从原来的500mA/cm2提升至1000mA/cm2，使电堆的功率密度得到大幅提升，在1000mA/cm2电流密度下，体积比功率达到2736W/L，质量比功率达到2210W/kg。目前，大连化物所已建立了从材料、MEA、双极板部件的制备到电堆组装、测试的完整技术体系。图15为大连化物所开发的燃料电池电堆。
图15大连化物所开发的燃料电池电堆日本丰田燃料电池电堆采用3D流场设计（图16所示），使流体产生垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化，功率密度可达3.1kW/L。这种3D流场通常需要空压机的压头较高，以克服流体在流道内的流动阻力。
增湿器是燃料电池发电系统另一重要部件，燃料电池中的质子交换膜需要有水润湿的状态下才能够传导质子，反应气通过增湿器的把燃料电池反应所需的水带入燃料电池内部，常用的增湿器形式包括膜增湿器、焓轮增湿器等，原理是把带有燃料电池反应生成水的尾气（湿气）与进口的反应气（干气）进行湿热交换，达到增湿的目的。由于燃料电池薄膜的使用，透水能力增加，加大了阴极产生水向阳极侧的反扩散能力，使得阴阳极湿度梯度变小。这样，可以在一侧增湿即可满足反应所需的湿度要求。目前，发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水，系统不需要增湿器部件，使得系统得到简化。
除了上述的系统部件外，系统的控制策略也非常重要。可以在现有材料的基础上通过优化控制策略，提高耐久性。基于燃料电池衰减机理，提出车用燃料电池的合理控制策略，规避如动态循环工况、启动/停车过程、连续低载或怠速等不利运行条件的影响，提高燃料电池系统的寿命。4.结束语燃料电池电动汽车以其动力性能高、充电快、续驶里程长、接近零排放的特点，是未来新能源汽车的有力竞争者。国际上特别是日本车用燃料电池技术链已逐渐趋于成熟，我国需要加大产业链建设，鼓励企业进行投入，发展批量生产设备，在产业链的建立过程中促进技术链的逐步完善。同时，在成本、寿命方面还要继续进行研发投入，激励创新材料的研制，加大投入强化电堆可靠性与耐久性考核，为燃料电池汽车商业化形成技术储备。