當(dāng)前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題。為實(shí)現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，建立人與自然的和諧關(guān)系，發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等綠色能源，成為世界各國高度關(guān)注的課題。多數(shù)可再生能源所固有的間隙性、隨機(jī)與波動性，導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象。氫能作為可存儲廢棄能源并推動由傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的清潔能源，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被視為未來能源革命的顛覆性技術(shù)方向 [1]。
氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步可推動氫氣制備、儲藏、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)體系的發(fā)展升級。在新一輪能源革命驅(qū)動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術(shù)，以支撐實(shí)現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展模式 [2,3]。發(fā)達(dá)國家或地區(qū)積極發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”，制定了《全面能源戰(zhàn)略》（美國）、《歐盟氫能戰(zhàn)略》（歐盟）、《氫能 / 燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》（日本）等發(fā)展規(guī)劃，推動燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。我國也積極跟進(jìn)氫能相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，2001 年確立了 863 計(jì)劃中包括燃料電池在內(nèi)的“三縱三橫”戰(zhàn)略；《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030）》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》（2017 年）等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發(fā)展。2020 年，科技部啟動了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，將重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)、空壓機(jī)耐久性、高可靠性電堆等共性關(guān)鍵技術(shù)。國家能源局將氫能及燃料電池技術(shù)列為“十四五”時(shí)期能源技術(shù)裝備重點(diǎn)任務(wù)。
研究表明，氫能及氫燃料電池技術(shù)有望大規(guī)模應(yīng)用在汽車、便攜式發(fā)電和固定發(fā)電站等領(lǐng)域 [3]，也是航空航天飛行器、船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要技術(shù)備選方案，但面臨低生產(chǎn)成本（電解質(zhì)、催化劑等基礎(chǔ)材料）、結(jié)構(gòu)緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰(zhàn)。美國能源部燃料電池技術(shù)項(xiàng)目研究認(rèn)為 [4]，燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一，隨著技術(shù)進(jìn)步，全過程生產(chǎn)成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當(dāng)。優(yōu)化系統(tǒng)控制策略、開發(fā)催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎(chǔ)材料，是提高系統(tǒng)耐久性和壽命、進(jìn)而促成氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的有效路徑 [5]。近期的綜述性研究工作 [6~10]，報(bào)道了氫燃料電池系統(tǒng)在雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化劑、膜電極、流場設(shè)計(jì)與分析等材料或組件方面的新進(jìn)展。

我國提出了將于 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展愿景。積極發(fā)展氫能，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變，是能源革新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能利用的先決條件。為了促進(jìn)我國氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展，本文依托中國工程院咨詢項(xiàng)目的支持，分析國內(nèi)外氫燃料電池技術(shù)關(guān)鍵材料、核心組件的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，凝練我國發(fā)展氫燃料電池技術(shù)面臨的問題，梳理未來相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向并提出保障措施建議，以期為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)性參考。

氫燃料電池與常見的鋰電池不同，系統(tǒng)更為復(fù)雜，主要由電堆和系統(tǒng)部件（空壓機(jī)、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶）組成。電堆是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心，包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。膜電極的關(guān)鍵材料是質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層，這些部件及材料的耐久性（與其他性能）決定了電堆的使用壽命和工況適應(yīng)性。近年來，氫燃料電池技術(shù)研究集中在電堆、雙極板、控制技術(shù)等方面，氫燃料電池技術(shù)體系及部分相關(guān)前沿研究如圖 1 所示。

氫燃料電池技術(shù)體系

（一）膜電極組件膜電極（MEA）是氫燃料電池系統(tǒng)的核心組件，通常由陰極擴(kuò)散層、陰極催化劑層、電解質(zhì)膜、陽極催化劑層和陽極氣擴(kuò)散層組成，直接決定了氫燃料電池的功率密度、耐久性和使用壽命。根據(jù) MEA 內(nèi)電解質(zhì)的不同，常用的氫燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。各類型燃料電池具有相應(yīng)的燃料種類、質(zhì)量比功率和面積比功率性能，其中質(zhì)子交換膜燃料電池以啟動時(shí)間短（~1 min）、操作溫度低（<100 ℃）、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等成為研究熱點(diǎn)和氫燃料電池汽車邁入商業(yè)化進(jìn)程的首選。MEA 裝配工藝有熱壓法（PTFE 法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）和有序化方法等。熱壓法是第一代技術(shù)；目前廣泛使用的是第二代的 CCM 方法，包括轉(zhuǎn)印、噴涂、電化學(xué)沉積、干粉噴射等，具有高鉑利用率和耐久性的優(yōu)點(diǎn)；有序化方法可使 MEA 具有最大反應(yīng)活性面積及孔隙連通性，以此實(shí)現(xiàn)更高的催化劑利用率，是新一代 MEA 制備技術(shù)的前沿方向。
1. 質(zhì)子交換膜（PEM）全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化 PEM，屬于固體聚合物電解質(zhì)；利用碳氟主鏈的疏水性和側(cè)鏈磺酸端基的親水性，實(shí)現(xiàn) PEM 在潤濕狀態(tài)下的微相分離，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。代表性產(chǎn)品有美國杜邦公司的 Nafion 系列膜、科慕化學(xué)有限公司的 NC700 膜、陶氏集團(tuán)的 Dow 膜、3M 公司的 PAIF 膜，日本旭化成株式會社的 Aciplex 膜、旭硝子株式會社的 Flemion 膜，加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司的 BAM 膜，這些膜的差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的長短、磺酸基的含量有所不同。我國武漢理工新能源有限公司、新源動力有限公司、上海神力科技有限公司、東岳集團(tuán)公司已具備全氟磺酸 PEM 產(chǎn)業(yè)化的能力。
輕薄化薄膜制備是降低 PEM 歐姆極化的主要技術(shù)路線，膜的厚度已經(jīng)從數(shù)十微米降低到數(shù)微米，但同時(shí)也帶來膜的機(jī)械損傷、化學(xué)降解問題。當(dāng)前的解決思路，一是采用氟化物來部分或全部代替全氟磺酸樹脂，與無機(jī)或其他非氟化物進(jìn)行共混（如加拿巴拉德動力系統(tǒng)公司的 BAM3G 膜，具有非常低的磺酸基含量，工作效率高、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較好，價(jià)格明顯低于全氟類型膜）；二是采用工藝改性全氟磺酸樹脂均質(zhì)膜，以多孔薄膜或纖維為增強(qiáng)骨架，浸漬全氟磺酸樹脂得到高強(qiáng)度、耐高溫的復(fù)合膜（如美國科慕化學(xué)有限公司的 NafionXL-100、戈?duì)柟镜?Gore-select 膜、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的 Nafion/PTFE 復(fù)合膜與碳納米管復(fù)合增強(qiáng)膜等 [11]）。值得一提的是，戈?duì)柟菊莆樟?5.0 μm 超薄質(zhì)子交換膜的制備技術(shù)， 2019 年投產(chǎn)世界首條氫燃料電池車用 PEM 專用生產(chǎn)線，在日本豐田汽車公司的 Mirai 汽車上獲得使用。此外，為了耐高溫、抗無水并具有較高的高質(zhì)子傳導(dǎo)率，高溫 PEM、高選擇性 PEM、石墨烯改性膜、熱穩(wěn)定 PEM、堿性陰離子交換膜、自增濕功能復(fù)合膜等成為近年來的研究熱點(diǎn)。
2. 電催化劑在氫燃料電池的電堆中，電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，被視為氫燃料電池的關(guān)鍵材料，決定著氫燃料電池汽車的整車性能和使用經(jīng)濟(jì)性。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問題，常用的是擔(dān)載型催化劑 Pt/C（Pt 納米顆粒分散到碳粉載體上），但是 Pt/ C 隨著使用時(shí)間的延長存在 Pt 顆粒溶解、遷移、團(tuán)聚現(xiàn)象，活性比表面積降低，難以滿足碳載體的負(fù)載強(qiáng)度要求 [11]。Pt 是貴金屬，從商業(yè)化的角度看不宜繼續(xù)作為常用催化劑成分，為了提高性能、減少用量，一般采取小粒徑的 Pt 納米化分散制備技術(shù)。然而，納米 Pt 顆粒表面自由能高，碳載體與 Pt 納米粒子之間是弱的物理相互作用；小粒徑 Pt 顆粒會擺脫載體的束縛，遷移到較大的顆粒上被兼并而消失，大顆粒得以生存并繼續(xù)增長；小粒徑 Pt 顆粒更易發(fā)生氧化反應(yīng)，以鉑離子的形式擴(kuò)散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積，進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)聚。為此，人們研制出了 Pt 與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt 單原子層催化劑，這些催化劑最顯著的變化是利用了 Pt 納米顆粒在幾何空間分布上的調(diào)整來減少Pt用量、提高Pt利用率，提高了質(zhì)量比活性、面積比活性，增強(qiáng)了抗 Pt 溶解能力。通過碳載體摻雜氮、氧、硼等雜質(zhì)原子，增強(qiáng) Pt 顆粒與多種過渡金屬（如 Co、Ni、Mn、Fe、Cu 等）的表面附著力，在提升耐久性的同時(shí)也利于增強(qiáng)含 Pt 催化劑的抗遷移及團(tuán)聚能力。
為了進(jìn)一步減少 Pt 用量，無 Pt 的單 / 多層過渡金屬氧化物催化劑、納米單 / 雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、M-N-C 納米催化劑、石墨烯負(fù)載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等成為領(lǐng)域研究熱點(diǎn)；但這些新型催化劑在氫燃料電池實(shí)際工況下的綜合性能，如穩(wěn)定性、耐腐蝕性、氧還原反應(yīng)催化活性、質(zhì)量比活性、面積比活性等，還需要繼續(xù)驗(yàn)證。美國 3M 公司基于超薄層薄膜催化技術(shù)研制的 Pt/Ir(Ta) 催化劑，已實(shí)現(xiàn)在陰極、陽極平均低至 0.09 mg/cm2 的鉑用量，催化功率密度達(dá)到 9.4 kW/g （150 kPa 反應(yīng)氣壓）、11.6 kW/g （250 kPa 反應(yīng)氣壓）[12]。德國大眾汽車集團(tuán)牽頭研制的 PtCo/ 高表面積碳（HSC）也取得重要進(jìn)展，催化功率密度、散熱能力均超過了美國能源部制定的規(guī)劃目標(biāo)值（2016—2020 年）[13]。后續(xù)，減少鉑基催化劑用量、提高功率密度（催化活性）及基于此目標(biāo)的 MEA 優(yōu)化制備，仍是降低氫燃料電池系統(tǒng)商用成本的重要途徑。
3. 氣體擴(kuò)散層在氫燃料電池的電堆中，空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層還需要穿越氣體擴(kuò)散層（GDL）。GDL 由微孔層、支撐層組成，起到電流傳導(dǎo)、散熱、水管理、反應(yīng)物供給的作用，因此需要良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，還應(yīng)有合適的孔結(jié)構(gòu)、柔韌性、表面平整性、高機(jī)械強(qiáng)度；這些性能對催化劑層的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，是 GDL 結(jié)構(gòu)和材料性能的體現(xiàn)。微孔層通常由碳黑、憎水劑構(gòu)成，厚度為 10~100 μm，用于改善基底孔隙結(jié)構(gòu)、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導(dǎo)反應(yīng)氣體快速通過擴(kuò)散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應(yīng)生成的水以防止“水淹” 發(fā)生。因編織碳布、無紡布碳紙具有很高的孔隙率、足夠的導(dǎo)電性，在酸性環(huán)境中也有良好的穩(wěn)定性，故支撐層材料主要是多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維無紡布、碳黑紙。碳纖維紙的平均孔徑約為 10.0 μm，孔隙率為 0.7~0.8 [14]，制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本相對較低，是支撐層材料的首選；在應(yīng)用前需進(jìn)行疏水處理，確保 GDL 具有適當(dāng)?shù)乃畟鬏斕匦裕ǔＪ菍⑵浣氲绞杷畡ㄈ?PTFE）的水分散溶液中，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全浸透后轉(zhuǎn)移至高溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理，從而形成耐用的疏水涂層。為進(jìn)一步提高碳纖維紙的導(dǎo)電性，可能還會進(jìn)行額外的碳化、石墨化過程。
在功能角度看，GDL 均勻地將反應(yīng)氣體從流場引導(dǎo)至催化劑層，確保組件的機(jī)械完整性，并以一定的速度排除陰極上的反應(yīng)產(chǎn)物（水），防止陰極催化劑層發(fā)生“水淹”，也避免因失水過多導(dǎo)致陰極組件干燥而降低各離子的傳導(dǎo)率。因此，發(fā)生在 GDL 上的過程有：熱轉(zhuǎn)移過程、氣態(tài)輸運(yùn)過程、兩相流過程、電子輸運(yùn)過程、表面液滴動力學(xué)過程等。GDL 是燃料電池的水管理“中心”，通過對水的有效管理，提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性；燃料電池對水的控制可以通過水管理系統(tǒng)的增濕器或自增濕 PEM 來部分實(shí)現(xiàn)，但主要還靠 GDL 的作用。GDL 的厚度、表面預(yù)處理會影響傳熱和傳質(zhì)阻力，是整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)濃差極化、歐姆極化的主要源頭之一；通常以減小 GDL 厚度的方式來降低濃差極化、歐姆極化，但也可能導(dǎo)致 GDL 機(jī)械強(qiáng)度不足。因此，研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的 GDL 材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)。對 GDL 的研究，除了材料制備，還有關(guān)于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機(jī)械降解以及燃料電池啟動、關(guān)閉及“氫氣饑餓”時(shí)的碳腐蝕造成的化學(xué)降解等的性能退化研究。此外，為促進(jìn) GDL 材料設(shè)計(jì)與開發(fā)，研究者利用中子照相技術(shù)、X-ray 電子計(jì)算機(jī)斷層描繪技術(shù)、光學(xué)可視化技術(shù)、熒光顯微術(shù)等手段來可視化 GDL 材料結(jié)構(gòu)和表面水的流動狀態(tài)，并利用隨機(jī)模型法、兩相流模型數(shù)字化重構(gòu) GDL 宏觀形貌（孔隙）結(jié)構(gòu)；為研究 GDL 氣 – 液兩相流行為，較多運(yùn)用雙流體模型、多相混合模型、格點(diǎn) Boltzmann 方法、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、流體體積（VOF）法等。
GDL技術(shù)狀態(tài)成熟，但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問題和大批量生產(chǎn)問題，生產(chǎn)成本依然居高不下；商業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)的企業(yè)主要有加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司、德國 SGL 集團(tuán)、日本東麗株式會社和美國 E-TEK公司。日本東麗株式會社早在1971年開始進(jìn)行碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)，是全球碳纖維產(chǎn)品的最大供應(yīng)商，其他公司主要以該公司的碳產(chǎn)品為基礎(chǔ)材料。

（一）關(guān)鍵材料及組件研發(fā)進(jìn)展近年來，我國的氫燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)研究較為活躍，在一些技術(shù)方向具備了與發(fā)達(dá)國家“比肩” 的條件；但整體來看，所掌握的核心技術(shù)水平、綜合技術(shù)體系尚不及具有領(lǐng)先地位的國家，如我國在1998年才出現(xiàn)首個(gè)氫燃料電池發(fā)明專利，目前相關(guān)核心專利數(shù)僅占世界的1%左右。先發(fā)國家在氫燃料電池系統(tǒng)、組件、控制技術(shù)、電極等方面發(fā)展相對均衡，一些國際性企業(yè)在燃料電池系統(tǒng)、電池組件與加工、控制技術(shù)等方面居于世界領(lǐng)先地位（見下圖）。

來源：中國工程科學(xué)