氢燃料电池技术发展现状及未来展望.docx

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1、一、刖后当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度（140MJkg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转

2、换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以支撑实现低碳、清洁发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”，制定了全面能源战略（美国）、欧盟氢能战略（欧盟）、氢能/燃料电池战略发展路线图（日本）等发展规划，推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略，2001年确立了863计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略；能源技术革命创新行动计划（20162030）汽车产业中长期发展规划（2017年）等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2023年，科技部启动了

3、国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。美国能源部燃料电池技术项目研究认为，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类

4、型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。近期的综述性研究工作6-10,报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。我国提出了将于2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源革新发展，实现碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国能源领域的战略性新兴产业，氢燃料电池技术是实现氢能利用的先决条件。为了促进我国氢燃料电池技术产业链的全面发展，本文依托中国工程院咨询项目的支持

5、，分析国内外氢燃料电池技术关键材料、核心组件的研发与应用现状，凝练我国发展氢燃料电池技术面临的问题，梳理未来相关技术发展方向并提出保障措施建议，以期为行业技术发展提供基础性参考。二、氢燃料电池技术体系及发展现状氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面，氢燃料电池技术

6、体系及部分相关前沿研究如图1所示。高容Ift储氢技术高技术石墨修储气技术筑燃料电他系统电堆文换应用（车*r催化M金W催化制作的薛金属催化局二推纳米的族介金催化刺:维纳米帕族金属催化剂有机无机擂条原f低的催化剂（掺杂Cu、NkCo、M。等）过渡金属推弟怕族金属合金高依仪化材料碳系化其有尺寸效应的豹族金属催化剂石墨烯纳米柏族金M复合材料催化剂毓拷朵石般蜂怕族金属催化剂石墨端镶钠而活件1羊成多场过渡金属仪化物催化刑 破疏可控七孔推架KC催化剂 MK化物和金属大环化合物催化剂 纳米用双金”催化剂 MNC纳米催化剂（M为俄等金属） 第几配位被合构催化剂（有机金螭配作物当金属家碳杂化等） 区推架房状多孔联

7、高活性催化剂 :雄机MI米金廨力几靠架偏化制 石不金属辄化物纳米复合材料催化剂 气体V股房优化限缩效应技术 琳及佥如大孔基质气体扩眼层材料娜国川化学储乳材料纳米就W1履材料金属堀名化物储筑材料 燃料电漉泥台动力客不使批管理策略 多I1标能源管理优化燃料电池技术 脉冲放电等离子体光催化错料电池网合技术 分数阶极值法住线管理燃料电池能源系统 悬料电池优化控制技术高速无油空气压缩机无孔行不聚会构复合材料（聚介物W括聚内爆、聚笨看微等） 石曷烯不锈例例双极板材料 耐惊金帽碇举U介材料 破制米管聚不我（耐性锚双极板材料 双核板液达成形及燃料电池优化控制技术 高温质子交换18 热电定质f交换股，纳米金舸基

8、复合高分fBI 烯改性般,而选择性泊透收 低成本高性能M聚合物黑 搀杂纳米粒子无机有机聚合物膜图1氢燃料电池技术体系（一）膜电极组件膜电极（MEA）是氢燃料电池系统的核心组件，通常由阴极扩散层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层和阳极气扩散层组成，直接决定了氢燃料电池的功率密度、耐久性和使用寿命。根据MEA内电解质的不同，常用的氢燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）.磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。各类型燃料电池具有相应的燃料种类、质量比功率和面积比功率性能，其中质子交换膜燃料电池以启动时间短（1mi

9、n）、操作温度低（VIO0）、结构紧凑、功率密度高等成为研究热点和氢燃料电池汽车迈入商业化进程的首选。MEA装配工艺有热压法（PTFE法）、梯度法、CCM（cata1ystcoated-membrane）和有序化方法等。热压法是第一代技术；目前广泛使用的是第二代的CCM方法，包括转印、喷涂、电化学沉积、干粉喷射等，具有高伯利用率和耐久性的优点；有序化方法可使MEA具有最大反应活性面积及孔隙连通性，以此实现更高的催化剂利用率，是新一代MEA制备技术的前沿方向。1 .质子交换膜（PEM）全氟磺酸膜是常用的商业化PEM,属于固体聚合物电解质；利用碳氟主链的疏水性和侧链磺酸端基的亲水性，实现PEM在润

10、湿状态下的微相分离，具有质子传导率高、耐强酸强碱等优异特性。代表性产品有美国杜邦公司的Nation系列膜、科慕化学有限公司的NC700膜、陶氏集团的Dow膜、3M公司的PAIF膜，日本旭化成株式会社的Acip1ex膜、旭硝子株式会社的F1emion膜，加拿大巴拉德动力系统公司的BAM膜，这些膜的差异在于全氟烷基酸侧链的长短、磺酸基的含量有所不同。我国武汉理工新能源有限公司、新源动力有限公司、上海神力科技有限公司、东岳集团公司已具备全氟磺酸PEM产业化的能力。轻薄化薄膜制备是降低PEM欧姆极化的主要技术路线，膜的厚度已经从数十微米降低到数微米，但同时也带来膜的机械损伤、化学降解问题。当前的解决思

11、路，一是采用氟化物来部分或全部代替全氟磺酸树脂，与无机或其他非氟化物进行共混（如加拿巴拉德动力系统公司的BAM3G膜，具有非常低的磺酸基含量，工作效率高、化学稳定性和机械强度较好，价格明显低于全氟类型膜）；二是采用工艺改性全氟磺酸树脂均质膜，以多孔薄膜或纤维为增强骨架，浸渍全氟磺酸树脂得到高强度、耐高温的复合膜（如美国科慕化学有限公司的NafionX1-100戈尔公司的Gore-se1ect膜、中国科学院大连化学物理研究所的Nafion/PTFE复合膜与碳纳米管复合增强膜等11）。值得一提的是，戈尔公司掌握了5.0m超薄质子交换膜的制备技术，2019年投产世界首条氢燃料电池车用PEM专用生产线

12、，在日本丰田汽车公司的Mirai汽车上获得使用。此外，为了耐高温、抗无水并具有较高的高质子传导率，高温PEM、高选择性PEM.石墨烯改性膜、热稳定PEM、碱性阴离子交换膜、自增湿功能复合膜等成为近年来的研究热点。2 .电催化剂在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，被视为氢燃料电池的关键材料，决定着氢燃料电池汽车的整车性能和使用经济性。催化剂选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题，常用的是担载型催化剂Pt/C（Pt纳米颗粒分散到碳粉载体上），但是Pt/C随着使用时间的延长存在Pt颗粒溶解、迁移、团聚现象，活性比表

13、面积降低，难以满足碳载体的负载强度要求。Pt是贵金属，从商业化的角度看不宜继续作为常用催化剂成分，为了提高性能、减少用量，一般采取小粒径的Pt纳米化分散制备技术。然而，纳米Pt颗粒表面自由能高，碳载体与Pt纳米粒子之间是弱的物理相互作用；小粒径Pt颗粒会摆脱载体的束缚，迁移到较大的颗粒上被兼并而消失，大颗粒得以生存并继续增长；小粒径Pt颗粒更易发生氧化反应，以伯离子的形式扩散到大粒径能颗粒表面而沉积，进而导致团聚。为此，人们研制出了Pt与过渡金属合金催化剂、Pt核壳催化剂、Pt单原子层催化剂，这些催化剂最显著的变化是利用了Pt纳米颗粒在几何空间分布上的调整来减少Pt用量、提高Pt利用率，提高了

14、质量比活性、面积比活性，增强了抗Pt溶解能力。通过碳载体掺杂氮、氧、硼等杂质原子，增强Pt颗粒与多种过渡金属（如Co、Ni、Mn、Fe.Cu等）的表面附着力，在提升耐久性的同时也利于增强含Pt催化剂的抗迁移及团聚能力。为了进一步减少Pt用量，无Pt的单/多层过渡金属氧化物催化剂、纳米单/双金属催化剂、碳基可控掺杂原子催化剂、M-N-C纳米催化剂、石墨烯负载多相催化剂、纳米金属多孔框架催化剂等成为领域研究热点；但这些新型催化剂在氢燃料电池实际工况下的综合性能，如稳定性、耐腐蚀性、氧还原反应催化活性、质量比活性、面积比活性等，还需要继续验证。美国3M公司基于超薄层薄膜催化技术研制的PVIr（Ta）

15、催化剂，已实现在阴极、阳极平均低至0.09mgcm2的伯用量，催化功率密度达到9.4kW/g（150kPa反应气压）、11.6kW/g（250kPa反应气压）。德国大众汽车集团牵头研制的PtCo/高表面积碳（HSC）也取得重要进展，催化功率密度、散热能力均超过了美国能源部制定的规划目标值（20162023年）。后续，减少伯基催化剂用量、提高功率密度（催化活性）及基于此目标的MEA优化制备，仍是降低氢燃料电池系统商用成本的重要途径。3 .气体扩散层在氢燃料电池的电堆中，空气与氢气通入到阴、阳极上的催化剂层还需要穿越气体扩散层（GD1）。GD1由微孔层、支撑层组成，起到电流传导、散热、水管理、反应物供给的作用，因此需要良好的导电性、高化学稳定性、热稳定性，还应有合适的孔结构、柔韧性、表面平整性、高机械强度；这些性能对催化剂层的电催化活性、电堆能量转换至关重要，是GD1结构和材料性能的体现。微孔层通常由碳黑、憎水剂构成，厚度为10-100m,用于改善基底孔隙结构、降低基底与催化层之间的接触电阻、引导反应气体快速通过扩散层并均匀分布到催化剂层表面、排走反应生成的水以防止“水淹”发生。因编织碳布、无纺布碳纸具有很高的孔隙率、足够的导电性，在酸性环境中也有良好的稳定性，故支撑层材料主要是多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布、碳黑纸