《一、前言》

一、前言

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（140 MJ/kg）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 [1]。

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 [2,3]。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（2016—2030）》《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。2020 年，科技部启动了国家重点研发计划“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 [3]，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 [4]，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 [5]。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，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》

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，氢燃料电池技术体系及部分相关前沿研究如图 1 所示。

《图 1》

图 1 氢燃料电池技术体系

《（一）膜电极组件》

（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（~1 min）、操作温度低（