微纳制造十大应用 | 氢燃料电池——产业化拐点已来？

氢燃料电池——产业化拐点已来？

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。由于其是直接将转换为电能，不需要经过热能和机械能的中间变换，发电效率可以达到50%以上；同时，氢燃料电池是通过电化学反应产能，与传统的燃烧或储能方式有所不同，不会对环境造成污染；且氢燃料电池在运行的过程中较为安静，能够安装于室内或室外对噪声有限制的地方。

由于氢的化学性质活泼，含量丰富，有着来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等特点，氢能被认为是未来终极能源的方向。作为全球最大的电动汽车市场，中国也将氢能和燃料电池视为关键的战略能源创新方向。中国的低碳发展承诺以及空气污染防治行动加速了氢能及燃料电池的发展，相关领域的科技研发和应用也在中国得到了快速的推进。

中国氢能联盟在2023年9月发布的《中国氢能源及燃料电池产业发展报告2022》中指出，2022年中国氢燃料电池汽车销售量新增3367辆，保有量达到12682辆，同比增长约36%。同时，我国氢能关键技术持续迭代，装备制造成本进一步下探，中国部分制氢技术路线达到国际先进水平。

微纳技术是提升氢燃料电池效率的突破口

氢燃料电池的系统相对复杂，主要由电堆和燃料处理器组成。其中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端板、密封圈等。而膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂和气体扩散层，这些部件及材料的耐久性决定了电堆的使用寿命和工况适应性。

▲ 质子交换膜燃料电池及流场结构示意图

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，为质子交换膜燃料电池提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标，需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的膜电极。近年来，为了优化质子交换膜燃料电池膜电极的结构，产业界和学术界从材料、结构、制备工艺等方面做了深入研究，其中纳米材料和微纳制造技术是重点研究方向。

中国科学院苏州纳米所教授研究员张祥成教授指出：“围绕核心材料看燃料电池的成本结构，可以发现电堆占总成本的67%，其中催化剂与膜电极占33%，双极板占15%，这些都是占比较大的核心材料。”

据张教授介绍，催化剂和双极板目前要解决的两个关键问题包括：一是降低铂催化剂的用量，二是降低双极板的厚度。充分利用微纳米材料学的优势，铂催化剂用量和双极板厚度减材都有潜力降低到目前水平的一半以上。通过微纳米结构的设计材料实现最佳的催化效果，从而将制氢效率提高数倍。