氫能和氫燃料電池是實現我國能源清潔利用、能源消費結構優化的重要途徑。氫能具有來源廣泛、可再生、穩定存儲、快速補充等優勢。中國氫能產業在政府的支持下正進入快速發展階段，其產業化落地進程不斷加快。在新一輪能源革命驅動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術，以支持低碳清潔的發展模式。發達國家或地區積極發展“氫能經濟”，制定了《全面能源戰略》（美國）、《歐盟氫能戰略》（歐盟）、《氫能 / 燃料電池戰略發展路線圖》（日本）等發展規劃，推動燃料電池技術的研發、示范和商業化應用。我國也積極跟進氫能發展戰略，《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030）》、《汽車產業中長期發展規劃》（2017 年）等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發展。本文重點分析國內外氫燃料電池技術關鍵材料、核心組件的研發與應用現狀。

　　

　　

　　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。膜電極生產目前采用的是第二代生產技術催化劑涂膜（CCM）技術，具有卷對卷（Roll-to-Rioll）連續化高速生產能力。

　　

　　（1）質子交換膜（PEM）

　　

　　質子交換膜是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心元件，是一種聚合物電解質膜，質子交換膜目前主流趨勢是全氟磺酸增強型復合膜，質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和氧的還原反應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的氣體和產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、合適的孔結構、良好的導電性、高穩定性。

　　

　　2. 雙極板

　　

　　雙極板是電堆的核心結構零部件，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，并使用數控機床進行流道加工，國內石墨雙極板技術近年來發展十分迅速，技術水平與國外相當，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，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，氫燃料電池系統還需要氫氣供應系統、水管理系統、空氣系統等外部輔助子系統的協同配合，對應的系統部件有氫循環泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機。燃料電池在工作狀態下會產生大量的水，過低的水含量會產生“干膜”現象，阻礙質子傳輸；過高的水含量會產生“水淹”現象，阻礙多孔介質中氣體的擴散，導致電堆輸出電壓偏低。從陰極側穿透到陽極的雜質氣體（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設備（循環泵、噴射器）來實現氣體吹掃、氫氣重復利用、加濕氫氣等功能。

　　

　　燃料電池系統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、燃料電池健康狀態在線辦識與故障診斷等技術的缺失已無法滿足產業快速發展的需求，需要進行重點攻關，以建立燃料電池系統耐久性技術體系。

　　

　　

　　2020-2024年，初步實現氫燃料電池汽車商業化應用，規模達到8000-10000輛，投入運營加氫站100座以上。到2025年，加快實現氫燃料及燃料電池汽車的推廣應用，優化燃料電池系統結構設計，加速關鍵部件產業化，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，實現氫燃料電池汽車大規模推廣應用，實現制氫、存儲、運輸、應用一體化，建立完善的氫能及燃料電池產業鏈，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鍵材料領域已初步形成產業鏈，但技術成熟度差距較大。在技術路線方面，車用氫燃料電池電堆大都選擇了質子交換膜體系，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展趨勢分析，金屬板成本會低于石墨板。從發展階段來看，我國目前具備小規模推廣氫燃料電池汽車的應用條件。

　　

　　基于2035年燃料電池發展目標，關鍵在于燃料電池堆與關鍵部件的改進和創新，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研發，建立可自主生產燃料電池及關鍵部件供應體系。