质子交换膜燃料电池关键材料发展现状综述

李政贤 耿志勇 李一凡 徐云杰

（1.质子汽车科技有限公司；2.陕西重型汽车有限公司；3.比亚迪汽车有限公司，陕西 西安 710200）

0 引言

氢能作为一种清洁高效的能源，对于构建清洁高效的能源体系有重大意义。2021年10月24日，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，要求统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。加快推进中国氢能利用与发展，是改善国家能源体系，保障国家能源安全，实现国家“双碳”目标的重要举措。

氢能除作为工业能源使用外，在交通运输领域也有着广泛的应用前景。氢燃料电池是一种发电装置，通过氧化还原反应将氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，效率高、无污染、无噪声、零碳排［1］。氢燃料电池汽车是理想的交通工具，在实现“碳中和”进程中扮演重要角色［2］。

在我国，质子交换膜燃料电池系统已成功应用于重型商用车、客车等领域，得到了快速发展，并且在2022年冬奥会上发挥了重要作用。不过，受质子交换膜、气体扩散层和催化剂等关键材料成本及寿命的影响，在实现大规模产业化过程中仍存在诸多问题亟待解决。

1 质子交换膜燃料电池系统

氢燃料电池是氢能利用的主要途径，由阴极、阳极、电解质膜等组成，氢气通过阳极时，电极上的阳极催化剂将氢气分解为H+离子和电子，H+离子透过电解质薄膜到达阴极，与氧气、外界回路的电子通过阴极催化剂反应生成纯水。电子通过外界回路时产生电子流，从而进行负载工作。其本质是水电解的“逆”反应，直接将化学能转化为电能，具有无需燃烧、功率密度高等特点。由于该过程不受卡诺循环效应的限制，因此理论效率可达90%以上，具有很高的理论经济性。

燃料电池按电解质种类可分为碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和质子交换膜燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池具有高功率密度和能量转换效率、低工作温度以及快速启动和停止特性，是最有吸引力的能量转换体系［3,4］。

2 质子交换膜燃料电池关键材料

质子交换膜燃料电池的基本结构主要由膜电极(质子交换膜、催化剂、气体扩散层)、集流板(又称双极板)及其他密封结构等组成。其中，膜电极决定了燃料电池的性能、寿命和成本。

2.1 质子交换膜

质子交换膜是一种固态电解质膜，位于燃料电池的中心部位，主要用来隔离燃料和氧化剂以及传递质子(H+)，要求具备良好的质子传导率和化学、机械稳定性。目前主要有全氟磺酸型、部分氟化磺酸型和新型非氟聚合物等类型［5］，性能对比见表1。其中，全氟磺酸型PEM是主流技术，其化学和机械稳定性好，产业化程度高，主要应用在氯碱工业、燃料电池、电解水制气、储能电池等领域。目前商用的全氟磺酸质子交换膜主要有杜邦Nafion系列膜、陶氏化学Dow膜、苏威Aquivion膜，以及旭硝子Flemion膜、旭化成Aciplex膜等，其中Nafion系列的市场占有率最高。国内东岳氢能具有从原料、中间体、单体、聚合物膜完整的全氟磺酸树脂产业链，已实现量产并批量供货，但在产品可靠性、寿命、规模化生产及应用经验方面还需提高。

2.2 催化剂

在质子交换膜燃料电池中，催化剂可促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率[6-10]，催化剂性能的优劣直接决定着燃料电池的性能、寿命和使用经济性。催化剂根据贵金属铂的含量分为铂催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂，性能对比见表2。目前商用催化剂主要为铂催化剂，由于受到成本和寿命的限制，催化剂朝着低铂、无铂和铂合金催化剂方向发展。国外催化剂用量已实现＜0.2 g/kW，而我国催化剂用量普遍处于0.3～0.4 g/kW的水平。

表2 催化剂类型及特点

从全球竞争格局来看，日本田中贵金属、英国庄信万丰和比利时优美科是全球最大的几家燃料电池催化剂供应商，催化剂制备技术处于绝对领先地位，已经实现批量化生产(大于10 kg/批次)，而且性能稳定，可靠性高。国内催化剂厂商包括贵研铂业、中自科技、武汉喜马拉雅以及上海济平新能源等也从事相关产品研发。

2.3 气体扩散层

气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)位于气体流场层和催化层之间，由基底层和微孔层构成。GDL作为燃料电池的关键部件，在气体传输分配、电子传导、支撑催化层、水管理中发挥作用，实现反应气体和产物水在流场和催化层之间的分配[11]。燃料电池中的GDL需达到以下要求：(1)孔隙结构均匀，透气性好；(2)电阻率低；(3)机械强度高且柔韧性好；(4)亲水/疏水性合理；(5)化学稳定性与热稳定性好[12]。

从目前的使用情况来看，碳纸因其制造工艺成熟、性能稳定，是GDL的首选。现阶段，燃料电池生产商大多采用日本东丽、美国Avcarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品，已实现规模化生产；而我国气体扩散层技术仍在探索，可通过对标国际先进产品加快核心技术公关，但在实现产品规模化生产方面还有一定差距。

2.4 双极板

双极板是电堆的关键部件，能均匀分配燃料和氧化剂，实现电堆内各单电池间电的连接、支撑电堆、收集并导出电流、阻隔反应气体等功能[13]。双极板在电堆中成本占比约45%，是氢燃料电池商业化的重要影响因素[14]。双极板可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。具体而言，石墨双极板具有良好的化学稳定性和高导电率，是研究和应用最为广泛的材料，缺点是加工难度高、成本高、体积大等，但在目前小批量生产的背景下体现并不明显；金属双极板较于石墨双极板，机械加工性好、能量密度高，缺点是耐腐蚀性差；复合材料双极板集合了石墨双极板和金属双极板的优点，但目前市场上复合石墨板电堆较少，主要由于其成本高、工艺复杂。

目前石墨双极板技术最为成熟，基本已实现国产化，但耐久性和工程化有待验证。国内石墨双极板技术水平与国外相当，但厚度通常在2 mm以上。复合膜压碳板在国外已突破0.8 mm薄板技术，具备与金属板同样的体积功率密度。金属板较石墨板更利于实现小型化，从而有利于提高燃料电池电堆的功率密度。

3 总结

近年来，随着燃料电池技术的不断发展，我国燃料电池产业正逐步走向规模化，但与发达国家仍存在较大差距。为进一步促进产业发展，国家先后发布了京津冀、上海、广东、河北、河南5大氢燃料电池汽车城市示范群，通过“以奖代补”的方式，加大对关键材料技术研究、加氢站基础设施建设、燃料电池汽车推广等方面的资源投入。

虽然燃料电池关键材料的研究仍存在诸多瓶颈，制约着产业的快速发展，但通过核心技术攻关，也正在朝着向高性能、低成本和长寿命方向进阶。质子交换膜为降低质子传输阻抗、提升自增湿能力，正向薄型化方向发展，同时提升可靠性和稳定性；催化剂通过铂金属的尺寸和机构调控，降低铂载量并提升耐久性；气体扩散层的结构和性能影响水管理和气体反应物的传输，其散热性、排水性是未来关注的重点；双极板性能受材料组成和流道的影响，开发具有优良耐蚀性和导电性的涂层或新型金属材料将有利于推动PEMFC的规模化应用。只有解决关键材料设计、制备、生产等全过程科学问题，才能推动氢能产业更好的发展。