氫能和氫燃料電池是實現(xiàn)我國能源清潔利用、能源消費結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑。氫能具有來源廣泛、可再生、穩(wěn)定存儲、快速補充等優(yōu)勢。中國氫能產(chǎn)業(yè)在政府的支持下正進入快速發(fā)展階段，其產(chǎn)業(yè)化落地進程不斷加快。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)，以支持低碳清潔的發(fā)展模式。發(fā)達國家或地區(qū)積極發(fā)展“氫能經(jīng)濟”，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。我國也積極跟進氫能發(fā)展戰(zhàn)略，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（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。本文重點分析國內(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。

　　

　　

　　1.膜電極組件

　　

　　膜電極是電堆的核心，類似于電腦里的CPU，決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層（氣體擴散層）組成。其主要性能指標包括單位表面積的輸出功率（功率密度)、貴金厲用量（單位功率輸出的鉑用量）、壽命和成本。膜電極生產(chǎn)目前采用的是第二代生產(chǎn)技術(shù)催化劑涂膜（CCM）技術(shù)，具有卷對卷（Roll-to-Rioll）連續(xù)化高速生產(chǎn)能力。

　　

　　（1）質(zhì)子交換膜（PEM）

　　

　　質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心元件，是一種聚合物電解質(zhì)膜，質(zhì)子交換膜目前主流趨勢是全氟磺酸增強型復合膜，質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，有幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達到更高的性能。

　　

　　（2）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，目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C，即由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔載型催化劑。

　　

　　（3）氣體擴散層

　　

　　氣體擴散層（GDL）包括碳纖維基層和碳微孔層，位于流場和膜電極之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和產(chǎn)生的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。因此，GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導電性、高穩(wěn)定性。

　　

　　2. 雙極板

　　

　　雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，占整個燃料電池大約60%的重量和將近20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料分為碳基和金屬基材料兩大類，碳基極板又分為石墨板和復合膜壓碳板兩大類。

　　

　　石墨雙極板一般以無孔石墨板或碳板作為基材，并使用數(shù)控機床進行流道加工，國內(nèi)石墨雙極板技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，技術(shù)水平與國外相當，但厚度通常在2mm 以上。復合膜壓碳板在國外已突破 0.8mm 薄板技術(shù)，具備與金屬板同樣的體積功率密度。石墨和金屬雙極板性能對比如表1所示。

　　

　　表1石墨和金屬雙極板性能對比

　　

　　

　　為了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統(tǒng)還需要氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)的協(xié)同配合，對應(yīng)的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機。燃料電池在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生大量的水，過低的水含量會產(chǎn)生“干膜”現(xiàn)象，阻礙質(zhì)子傳輸；過高的水含量會產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象，阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴散，導致電堆輸出電壓偏低。從陰極側(cè)穿透到陽極的雜質(zhì)氣體（N2）不斷積累，阻礙氫氣與催化劑層的接觸，造成局部“氫氣饑餓”而引起化學腐蝕。因此，水的平衡對 PEM 氫燃料電池的電堆壽命具有重要意義，解決途徑是在電堆中引入氫氣循環(huán)設(shè)備（循環(huán)泵、噴射器）來實現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復利用、加濕氫氣等功能。

　　

　　燃料電池系統(tǒng)的耐久性一方面受制于電池堆的耐久性，另一方面則由于車載環(huán)境燃料電池堆工作條件控制效果不佳，加速了電池堆的性能衰減。現(xiàn)階段，燃料電池耐久性測試存在干擾因素多、測試周期長、成本高等困難，燃料電池堆衰減機理和壽命預測建模、燃料電池堆加速老化測試與快速評價、燃料電池健康狀態(tài)在線辦識與故障診斷等技術(shù)的缺失已無法滿足產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，需要進行重點攻關(guān)，以建立燃料電池系統(tǒng)耐久性技術(shù)體系。

　　

　　

　　2020-2024年，初步實現(xiàn)氫燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用，規(guī)模達到8000-10000輛，投入運營加氫站100座以上。到2025年，加快實現(xiàn)氫燃料及燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，加速關(guān)鍵部件產(chǎn)業(yè)化，降低制造成本，致使燃料電池汽車市場保有量達到5萬-10萬輛。到2030年，實現(xiàn)氫燃料電池汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用，實現(xiàn)制氫、存儲、運輸、應(yīng)用一體化，建立完善的氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，燃料電池汽車達80萬-100萬輛。

　　

　　我國目前在氫燃料電池電堆及其關(guān)鍵材料領(lǐng)域已初步形成產(chǎn)業(yè)鏈，但技術(shù)成熟度差距較大。在技術(shù)路線方面，車用氫燃料電池電堆大都選擇了質(zhì)子交換膜體系，金屬板電極和石墨板電極并存。商用車的氫燃料電池系統(tǒng)采用的是石墨板或者復合板，還沒有采用高功率密度的金屬雙極板。石墨板電堆在性能上近年來有較大提升，但與金屬板電堆仍有顯著的差別，雖然目前成本較低，但從加工便利性和材料發(fā)展趨勢分析，金屬板成本會低于石墨板。從發(fā)展階段來看，我國目前具備小規(guī)模推廣氫燃料電池汽車的應(yīng)用條件。

　　

　　基于2035年燃料電池發(fā)展目標，關(guān)鍵在于燃料電池堆與關(guān)鍵部件的改進和創(chuàng)新，做到燃料電池性能好、耐久度高、成本低的市場需求，大大加強燃料電池的技術(shù)研發(fā)，建立可自主生產(chǎn)燃料電池及關(guān)鍵部件供應(yīng)體系。