“質(zhì)子交換膜燃料電池已被認為是電動車的終極主力電源，目前提高耐久性、降低燃料電池的成本及發(fā)展加氫站是氫能利用的主要努力方向?！?中國工程院院士（外籍）、加拿大皇家科學(xué)院院士、福州大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院院長張久俊院士在一次開幕式上指出。

張久俊院士在高工氫電年會上發(fā)表了“車用動力氫能質(zhì)子交換膜燃料電池：核心技術(shù)與科技挑戰(zhàn)與對策”的主題演講。針對當前燃料電池產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)和提升耐久性的解決之策展開了分析和建議。    

燃料電池車產(chǎn)業(yè)化的三大挑戰(zhàn)     

全球18億量燃油車（中國有3億輛），這種體量下的汽車排放出的CO2，CO，NOx，SOx，VOC等，對環(huán)境的污染會引發(fā)一系列的社會問題。世界各個國家都在發(fā)展新能源汽車（如鋰電池、燃料電池等），其中燃料電池已逐漸上升為國家戰(zhàn)略。

從技術(shù)角度看，燃料電池包括很多種，如質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池等，其中最重要的就是質(zhì)子交換膜燃料電池，其最大的優(yōu)勢有兩個：一是零排放，二是能夠在重卡、飛機等場景應(yīng)用，存在鋰電池等競爭路線無法比擬的優(yōu)勢。

“質(zhì)子交換膜燃料電池已被認為是電動車的終極主力電源，但現(xiàn)在仍沒有實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，這背后原因主要有三個方面的挑戰(zhàn)：科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)、經(jīng)濟挑戰(zhàn)和基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)?！睆埦每≡菏恐赋觥?/p>

一是科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)，主要是燃料電池動態(tài)運行條件下的耐久性不足（電流/電壓/溫度/壓力的波動的影響）。尤其在燃料電池最容易推廣應(yīng)用的重卡場景，在實際工況中需要百萬小時的連續(xù)操作，電流、電壓、溫度、壓力的波動對燃料電池穩(wěn)定運行造成挑戰(zhàn)，目前的燃料電池耐久性還達不到商業(yè)運營的要求。

二是經(jīng)濟挑戰(zhàn)，即燃料電池堆各個部件的高昂價格。需要各部件配合降本來解決，這也是產(chǎn)業(yè)鏈上下的發(fā)展共識。

三是基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)，加氫設(shè)施的普及程度太低，包括制氫、儲氫、運氫、用氫的產(chǎn)業(yè)鏈尚未打通，實際運行的經(jīng)驗太少。燃料電池技術(shù)進步相當快，近年產(chǎn)業(yè)鏈把目光聚焦到制氫，中間儲運環(huán)節(jié)還需要加緊攻克，這些都是未能推進燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的原因。

綜合看來，燃料電池面臨的挑戰(zhàn)因素一方面來自市場方面，一方面來自底層的科學(xué)技術(shù)方面，解決燃料電池運行耐久性問題，是邁向產(chǎn)業(yè)化必須突破的難關(guān)。

如何提升燃料電池耐久性？     

DOE曾指出燃料電池市場化運行指標為系統(tǒng)功率密度達到850W/L、長期運行目標大于10000小時、規(guī)模生產(chǎn)成本達到30$/kW。

“具體到單電池，運行期望目標為1A/cm2 下單電池電壓大于等于0.8 V；2A/cm2下單電池電壓大于等于0.7V；能量效率從0.6V下的48%提高到0.8V的64%；實際動態(tài)操作下的壽命大于10000小時。目前的燃料電池尚未達到產(chǎn)業(yè)化的標準。”張久俊院士分析道。

解決燃料電池耐久性問題要歸根究底到核心材料體系：主要是由膜組件的催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層所決定，這也是目前不能夠完全國產(chǎn)化替代的主要部件，通過基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)的創(chuàng)新是提高催化劑和膜穩(wěn)定性的必然舉措。    

張久俊院士長期從事電化學(xué)能源存儲和轉(zhuǎn)換及其材料的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)，包括燃料電池、高比能二次電池、超級電容器、CO2電化學(xué)還原和水電解等。從科學(xué)技術(shù)的角度提出了解決燃料電池運行耐久性問題的挑戰(zhàn)和對策：    

催化劑方面，目前最多使用鉑碳催化劑，除了鉑金屬價格貴之外，催化劑碳支持體在燃料電池長期操作下，尤其是小電流（高槽電壓）下會被氧化，降低耐久性甚至失效；催化劑結(jié)構(gòu)在燃料電池運行中的構(gòu)型坍塌；催化劑衰減、預(yù)防及改善機理的基礎(chǔ)科學(xué)研究不充分。

針對這些問題的主要對策為：研發(fā)非碳支持體的Pt基催化劑；優(yōu)化催化劑與支持體的結(jié)構(gòu)構(gòu)型及組分，增強催化劑與支持體的相互作用；使用高通量計算及人工智能技術(shù)并結(jié)合原位測量技術(shù)理清催化活性和活性衰減機理之間的構(gòu)效關(guān)系，以研發(fā)高活性高耐久性的催化劑。

質(zhì)子交換膜有全氟磺酸膜、增強型全氟磺酸膜和高溫型復(fù)合質(zhì)子交換膜，車用質(zhì)子交換膜燃料電池電解質(zhì)膜的耐久性科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)主要是H2O2自由基離子對膜的攻擊使膜變薄及溶解Pt進入膜形成點蝕甚至穿孔；長期高溫高壓運行使膜的機械性能衰減（對于5~10微米的膜尤其嚴重）；痕量金屬離子占據(jù)質(zhì)子交換位置使膜導(dǎo)電性能下降；膜衰減、預(yù)防及改善機理的基礎(chǔ)科學(xué)研究不充分等。    

需要從改善研發(fā)新型質(zhì)子交換膜，包括增強型的高溫、有機-無機復(fù)合膜，提高膜的機械、熱、化學(xué)穩(wěn)定性；添加H2O2自由基離子滅活劑以消除其對膜的破壞作用；使用高通量計算及人工智能技術(shù)并結(jié)合原位測量技術(shù)理清膜性能與衰減機理之間的構(gòu)效關(guān)系，以研發(fā)高耐久性的電解質(zhì)膜等方面解決。

氣體擴散層方面，主要挑戰(zhàn)包括電池正極高電勢（小電流）下碳紙層/微孔碳層的電化學(xué)氧化使功能衰減；長期溫度/壓力/電勢的變動使催化層從碳紙層/微孔碳層的剝離；長期操作下碳紙層/微孔碳層失去疏水性而造成水淹。

這種情況下有三種解決對策，研發(fā)抗氧化能力強的微孔碳層及優(yōu)化此碳層的組分以增強其機械、熱及化學(xué)的穩(wěn)定性；發(fā)展碳紙層/微孔碳層/催化層的傳質(zhì)模型以深入研究和優(yōu)化電流/電壓分布及氣體/水的傳質(zhì)，提供優(yōu)化設(shè)計；使用高通量計算及人工智能技術(shù)并結(jié)合原位觀測技術(shù)理清碳紙層/微孔碳層/催化層性能與衰減機理之間的構(gòu)效關(guān)系，以研發(fā)高耐久性的碳紙層/微孔碳層等。

“目前我們聯(lián)合驪能新能源開發(fā)了高性能炭紙層/微孔碳層氣體擴散層,所生產(chǎn)的材料各項性能指標都優(yōu)于商品化的樣品，正在推進產(chǎn)業(yè)化?！睆埦每≡菏孔詈蠼榻B道。