问题描述

当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术水平（包括功率密度、寿命、能量转换效率、低温启动性能等）均已满足车用要求，然而其成本居高不下，成为限制车用燃料电池动力系统商业化与规模化应用瓶颈。为了降低燃料电池成本，关键是大幅降低电极中铂基催化剂用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲电池性能与寿命。因此，如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术，解决成性能、寿命与成本之间的矛盾是当务之急。此外，燃料电池催化剂、碳纸、气体扩散层等关键材料主要依赖进口，进一步推高了我国燃料电池系统的成本，如何突破低铂、低成本车用燃料电池关键材料批量化制备技术，实现完全自主的国产化替代，构建完整的燃料电池产业链，对于我国燃料电池技术发展至关重要。

问题背景

在我国“双碳”目标和汽车产业转型升级的要求下，大力发展新能源汽车已成为国家战略。质子交换膜燃料电池（PEMFC）具备能量转化率高、零排放、动态响应快等优点，是一种理想的绿色汽车动力技术。中、欧、美、日、韩等国家和地区都将燃料电池汽车列为新能源汽车的重点发展方向。根据《节能与新能源汽车技术路线图(2.0版)》，2035年我国燃料电池汽车保有量目标为100万辆；国务院印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中指出，我国要在2035年实现燃料电池汽车商业化应用。然而，车用燃料电池的成本问题一直没有得到解决，成为限制其商业化和规模化应用的瓶颈。然而，要实现商业应用，燃料电池系统成本需低至30美元/kW，与内燃机成本基本持平，但当前实际成本距离该目标尚有很大的差距。目前车用燃料电池电堆中最大的单一成本来自铂基催化剂，按年产50万套系统计算，催化剂成本在系统总成本中占比高达42%，因此，如何在不牺牲性能与寿命的同时降低燃料电池中催化剂的铂用量成为关键。此外，由于部分关键材料依赖进口，即使我国燃料电池汽车保有量大幅增长，也难以对这部分进口材料的成本产生规模效应，因此，我国需要加速突破催化剂、质子膜、气体扩散层等关键材料的批量化技术，并对其寿命进行持续性的提高和改进。

最新进展（截止问题发布年度）

PEMFC最大单一成本来自于阴极氧还原催化剂，因此开发具有高活性、高耐久的氧还原催化剂是关键。目前商业氧还原催化剂主要是第一代纯Pt催化剂和第二代Pt-M合金催化剂（M为Fe、Co、Ni等过渡金属）。国内外催化剂厂商均已掌握成熟的第一代纯Pt催化剂技术，而第二代合金催化剂基本被国外厂商垄断，日本田中贵金属与英国庄信万丰是商业化催化剂的两大龙头企业，其他企业如E-Tek、巴斯夫等也占据一定市场。国内合金催化剂的批量制备主要处于实验室研发阶段，部分厂商已建成生产线，但仍处于测试推广阶段，距离实际应用尚有距离。为了进一步降低催化剂用量，丰田、通用等燃料电池车企开始采用改进型合金催化剂，例如丰田所采用的多孔碳负载的PtCo合金催化剂将燃料电池铂用量降低到0.18g/kW；通用汽车重点关注Pt3Co有序金属间催化剂，通过有序化的手段克服合金催化剂耐久性较差的问题。为了大幅度降低催化剂用量，开发超高活性的新型催化剂同样成为燃料电池领域的研究热点，多种活性提升策略被提出：包括暴露特定高活性晶面的多面体催化剂，设计多维结构催化剂增加活性位点数量，制备Pt原子表面富集的核壳结构催化剂提高Pt原子利用率，开发铂与非铂复合型催化剂等。上述新型催化剂活性在电化学测试水平可以达到商业催化剂的十倍甚至百倍，然而燃料电池中性能提升力度不匹配，距离实际应用尚有距离，需要进行更加深入研发。

研究发现低铂PEMFC低电密区电压随铂载量下降线性下降，但高电密区（即传质控制区）电压随铂载量急剧下降，表明低铂载量下，氧气传输阻力大幅增长，这是由于催化剂载量降低导致活性面积减小，氧气传输通路的总面积相应减小导致的。因此，除了开发更高活性催化剂外，还需要针对新型催化剂的物化特性进行电极微结构设计，强化氧气传输，如优化电极中离聚物含量、使用低EW值离聚物、对载体改性调整离聚物薄膜微结构，构建高效氧气传输通道；或者开发有序化电极结构，最小化氧气传输路径。因此，低铂电极微结构设计同样是未来重点研究方向之一，特别是要设计出可批量、连续化制备的电极结构。

气体扩散层也是燃料电池关键材料之一，但供应几乎全部来自于国外，主要包括日本东丽公司和德国西格里碳素公司。气体扩散层所用碳纸或碳布是由高拉伸强度碳纤维制备而来, 我国在碳纤维材料方面亦处于落后地位。因此，亟待发展高质量国产碳纤维材料，打破国外技术垄断。对于质子交换膜与双极板，我国已具备批量生产能力，下一步重点发展方向分别是开发高机械强度的超薄质子膜及抗腐蚀超薄金属双极板，以提高燃料电池的功率密度，满足乘用车要求。

重要意义

随着环保压力及化石能源危机越来越受关注，能源结构调整势在必行，而氢能源作为清洁可再生能源，将在我国能源结构中起到重要作用。燃料电池是氢能利用的最佳手段，具有高效、零碳排放的优势。未来燃料电池汽车的市场规模预计将达到万亿级，而我国燃料电池汽车产业目前仍处于导入期，限制其发展的主要问题在于成本。若低铂催化剂与低铂电极技术取得突破，关键材料实现国产化替代，成本问题得以解决，我国燃料电池汽车产业将急速发展，产生显著的环境效应与经济效益，在新能源汽车领域实现对传统国际巨头车企的赶超。