氫能和氫燃料電池是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源清潔利用、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑。氫能具有來(lái)源廣泛、可再生、穩(wěn)定存儲(chǔ)、快速補(bǔ)充等優(yōu)勢(shì)。中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)在政府的支持下正進(jìn)入快速發(fā)展階段，其產(chǎn)業(yè)化落地進(jìn)程不斷加快。在新一輪能源革命驅(qū)動(dòng)下，世界各國(guó)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(dá)國(guó)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(guó)）、《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(dòng)燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。我國(guó)也積極跟進(jìn)氫能發(fā)展戰(zhàn)略，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030）》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》（2017 年）等國(guó)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(diǎn)分析國(guó)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(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。其主要性能指標(biāo)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(duì)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(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)型復(fù)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(dá)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(guò)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(dān)載型催化劑。

　　

　　（3）氣體擴(kuò)散層

　　

　　氣體擴(kuò)散層（GDL）包括碳纖維基層和碳微孔層，位于流場(chǎng)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(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)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(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，占整個(gè)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(fù)合膜壓碳板兩大類。

　　

　　石墨雙極板一般以無(wú)孔石墨板或碳板作為基材，并使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行流道加工，國(guó)內(nèi)石墨雙極板技術(shù)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，技術(shù)水平與國(guó)外相當(dāng)，但厚度通常在2mm 以上。復(fù)合膜壓碳板在國(guó)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(duì)比如表1所示。

　　

　　表1石墨和金屬雙極板性能對(duì)比

　　

　　

　　為了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統(tǒng)還需要?dú)錃夤?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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機(jī)。燃料電池在工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的水，過(guò)低的水含量會(huì)產(chǎn)生“干膜”現(xiàn)象，阻礙質(zhì)子傳輸；過(guò)高的水含量會(huì)產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象，阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴(kuò)散，導(dǎo)致電堆輸出電壓偏低。從陰極側(cè)穿透到陽(yáng)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(xué)腐蝕。因此，水的平衡對(duì) 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(lái)實(shí)現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復(fù)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(cè)試存在干擾因素多、測(cè)試周期長(zhǎng)、成本高等困難，燃料電池堆衰減機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)建模、燃料電池堆加速老化測(cè)試與快速評(píng)價(jià)、燃料電池健康狀態(tài)在線辦識(shí)與故障診斷等技術(shù)的缺失已無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，需要進(jìn)行重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用，規(guī)模達(dá)到8000-10000輛，投入運(yùn)營(yíng)加氫站100座以上。到2025年，加快實(shí)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(jì)，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(chǎng)保有量達(dá)到5萬(wàn)-10萬(wàn)輛。到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)制氫、存儲(chǔ)、運(yùn)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(dá)80萬(wàn)-100萬(wàn)輛。

　　

　　我國(guó)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(fù)合板，還沒(méi)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(lái)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(shì)分析，金屬板成本會(huì)低于石墨板。從發(fā)展階段來(lái)看，我國(guó)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(biāo)，關(guān)鍵在于燃料電池堆與關(guān)鍵部件的改進(jìn)和創(chuàng)新，做到燃料電池性能好、耐久度高、成本低的市場(chǎng)需求，大大加強(qiáng)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。