質子交換膜燃料電池關鍵材料發展現狀綜述

李政賢 耿志勇 李一凡 徐云杰

（1.質子汽車科技有限公司；2.陜西重型汽車有限公司；3.比亞迪汽車有限公司，陜西 西安 710200）

0 引言

氫能作為一種清潔高效的能源，對于構建清潔高效的能源體系有重大意義。2021年10月24日，《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發布，要求統籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發展，加強氫能生產、儲存、應用關鍵技術研發、示范和規模化應用。加快推進中國氫能利用與發展，是改善國家能源體系，保障國家能源安全，實現國家“雙碳”目標的重要舉措。

氫能除作為工業能源使用外，在交通運輸領域也有著廣泛的應用前景。氫燃料電池是一種發電裝置，通過氧化還原反應將氫燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能，效率高、無污染、無噪聲、零碳排［1］。氫燃料電池汽車是理想的交通工具，在實現“碳中和”進程中扮演重要角色［2］。

在我國，質子交換膜燃料電池系統已成功應用于重型商用車、客車等領域，得到了快速發展，并且在2022年冬奧會上發揮了重要作用。不過，受質子交換膜、氣體擴散層和催化劑等關鍵材料成本及壽命的影響，在實現大規模產業化過程中仍存在諸多問題亟待解決。

1 質子交換膜燃料電池系統

氫燃料電池是氫能利用的主要途徑，由陰極、陽極、電解質膜等組成，氫氣通過陽極時，電極上的陽極催化劑將氫氣分解為H+離子和電子，H+離子透過電解質薄膜到達陰極，與氧氣、外界回路的電子通過陰極催化劑反應生成純水。電子通過外界回路時產生電子流，從而進行負載工作。其本質是水電解的“逆”反應，直接將化學能轉化為電能，具有無需燃燒、功率密度高等特點。由于該過程不受卡諾循環效應的限制，因此理論效率可達90%以上，具有很高的理論經濟性。

燃料電池按電解質種類可分為堿性燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池和質子交換膜燃料電池。其中，質子交換膜燃料電池具有高功率密度和能量轉換效率、低工作溫度以及快速啟動和停止特性，是最有吸引力的能量轉換體系［3,4］。

2 質子交換膜燃料電池關鍵材料

質子交換膜燃料電池的基本結構主要由膜電極(質子交換膜、催化劑、氣體擴散層)、集流板(又稱雙極板)及其他密封結構等組成。其中，膜電極決定了燃料電池的性能、壽命和成本。

2.1 質子交換膜

質子交換膜是一種固態電解質膜，位于燃料電池的中心部位，主要用來隔離燃料和氧化劑以及傳遞質子(H+)，要求具備良好的質子傳導率和化學、機械穩定性。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類型［5］，性能對比見表1。其中，全氟磺酸型PEM是主流技術，其化學和機械穩定性好，產業化程度高，主要應用在氯堿工業、燃料電池、電解水制氣、儲能電池等領域。目前商用的全氟磺酸質子交換膜主要有杜邦Nafion系列膜、陶氏化學Dow膜、蘇威Aquivion膜，以及旭硝子Flemion膜、旭化成Aciplex膜等，其中Nafion系列的市場占有率最高。國內東岳氫能具有從原料、中間體、單體、聚合物膜完整的全氟磺酸樹脂產業鏈，已實現量產并批量供貨，但在產品可靠性、壽命、規模化生產及應用經驗方面還需提高。

2.2 催化劑

在質子交換膜燃料電池中，催化劑可促進氫、氧在電極上的氧化還原過程，提高反應速率[6-10]，催化劑性能的優劣直接決定著燃料電池的性能、壽命和使用經濟性。催化劑根據貴金屬鉑的含量分為鉑催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑，性能對比見表2。目前商用催化劑主要為鉑催化劑，由于受到成本和壽命的限制，催化劑朝著低鉑、無鉑和鉑合金催化劑方向發展。國外催化劑用量已實現＜0.2 g/kW，而我國催化劑用量普遍處于0.3～0.4 g/kW的水平。

表2 催化劑類型及特點

從全球競爭格局來看，日本田中貴金屬、英國莊信萬豐和比利時優美科是全球最大的幾家燃料電池催化劑供應商，催化劑制備技術處于絕對領先地位，已經實現批量化生產(大于10 kg/批次)，而且性能穩定，可靠性高。國內催化劑廠商包括貴研鉑業、中自科技、武漢喜馬拉雅以及上海濟平新能源等也從事相關產品研發。

2.3 氣體擴散層

氣體擴散層(Gas Diffusion Layer，GDL)位于氣體流場層和催化層之間，由基底層和微孔層構成。GDL作為燃料電池的關鍵部件，在氣體傳輸分配、電子傳導、支撐催化層、水管理中發揮作用，實現反應氣體和產物水在流場和催化層之間的分配[11]。燃料電池中的GDL需達到以下要求：(1)孔隙結構均勻，透氣性好；(2)電阻率低；(3)機械強度高且柔韌性好；(4)親水/疏水性合理；(5)化學穩定性與熱穩定性好[12]。

從目前的使用情況來看，碳紙因其制造工藝成熟、性能穩定，是GDL的首選。現階段，燃料電池生產商大多采用日本東麗、美國Avcarb、德國SGL等廠商的氣體擴散層產品，已實現規模化生產；而我國氣體擴散層技術仍在探索，可通過對標國際先進產品加快核心技術公關，但在實現產品規模化生產方面還有一定差距。

2.4 雙極板

雙極板是電堆的關鍵部件，能均勻分配燃料和氧化劑，實現電堆內各單電池間電的連接、支撐電堆、收集并導出電流、阻隔反應氣體等功能[13]。雙極板在電堆中成本占比約45%，是氫燃料電池商業化的重要影響因素[14]。雙極板可分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板。具體而言，石墨雙極板具有良好的化學穩定性和高導電率，是研究和應用最為廣泛的材料，缺點是加工難度高、成本高、體積大等，但在目前小批量生產的背景下體現并不明顯；金屬雙極板較于石墨雙極板，機械加工性好、能量密度高，缺點是耐腐蝕性差；復合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優點，但目前市場上復合石墨板電堆較少，主要由于其成本高、工藝復雜。

目前石墨雙極板技術最為成熟，基本已實現國產化，但耐久性和工程化有待驗證。國內石墨雙極板技術水平與國外相當，但厚度通常在2 mm以上。復合膜壓碳板在國外已突破0.8 mm薄板技術，具備與金屬板同樣的體積功率密度。金屬板較石墨板更利于實現小型化，從而有利于提高燃料電池電堆的功率密度。

3 總結

近年來，隨著燃料電池技術的不斷發展，我國燃料電池產業正逐步走向規模化，但與發達國家仍存在較大差距。為進一步促進產業發展，國家先后發布了京津冀、上海、廣東、河北、河南5大氫燃料電池汽車城市示范群，通過“以獎代補”的方式，加大對關鍵材料技術研究、加氫站基礎設施建設、燃料電池汽車推廣等方面的資源投入。

雖然燃料電池關鍵材料的研究仍存在諸多瓶頸，制約著產業的快速發展，但通過核心技術攻關，也正在朝著向高性能、低成本和長壽命方向進階。質子交換膜為降低質子傳輸阻抗、提升自增濕能力，正向薄型化方向發展，同時提升可靠性和穩定性；催化劑通過鉑金屬的尺寸和機構調控，降低鉑載量并提升耐久性；氣體擴散層的結構和性能影響水管理和氣體反應物的傳輸，其散熱性、排水性是未來關注的重點；雙極板性能受材料組成和流道的影響，開發具有優良耐蝕性和導電性的涂層或新型金屬材料將有利于推動PEMFC的規模化應用。只有解決關鍵材料設計、制備、生產等全過程科學問題，才能推動氫能產業更好的發展。