主讲嘉宾

　　曾燃杰，大同氢雄云鼎氢能科技有限公司研发部工程师。本科毕业于广东工业大学，硕士生就读于华南理工大学，专攻质子交换膜燃料电池阴极材料的研发与制备，致力于实现燃料电池核心技术国产化突破。他广泛调研学习燃料电池上下游产业链，希望能够共同推动中国氢能与燃料电池产业的发展，加速零排放“氢能社会”的到来。

1 核心提示燃料电池的分类及比较

　　根据电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。

　　电解质的性质决定了燃料电池的工作温度和离子转移过程。其中，碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池的电解质有高度腐蚀性，限制了商业应用，目前发展最多的是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。

　　质子交换膜燃料电池与其他几种类型燃料电池相比，具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点，被认为是电动车、潜艇、各种可移动电源、供电电网和固定电源等的最佳替代电源。

2 核心提示质子交换膜燃料电池的研究现状

　　单元质子交换膜燃料电池的基本组成元件包括膜电极、双极板、密封件。膜电极又包含质子交换膜、催化层和气体扩散层三部分。

　　按膜的结构分类可以将质子交换膜分为磺化聚合物膜、复合膜、无机酸掺杂膜。磺化聚合物膜又可细分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜和非氟质子交换膜，其中，全氟磺酸质子交换膜目前应用最为广泛。

　　随着优质膜性能需求的趋势，大量的精力被投入到新型膜材料的理论和工业发展中。未来的膜材料应为无氟化物的聚氨酯离聚体，新型的聚合物如硅酮和聚磷酸盐等。较低的机械强度和膜吸水引起的残余压力是质子交换膜的主要缺点之一。

3 核心提示双极板的常见类型

　　双极板是单元质子交换膜燃料电池的基本组成元件之一，它的常见类型主要包括以下几种：

　　石墨双极板一般采用石墨粉、粉碎的焦碳与可石墨化的树脂或沥青混合，在石墨化炉中严格按照一定的升温程序，石墨化，再经切割和研磨，制备厚度为2-5mm的石墨板，采用机械加工通气孔道和用电脑刻绘机在其表面刻绘需要的流场。它的优点是质量轻、耐腐蚀性能佳、导电性好；缺点是属于脆性物质，易造成组装难度，厚度不易做薄，石墨化时间长、机械加工难、价格昂贵，制备工艺复杂、耗时长、费用高，难以实现批量生产等。

　　金属双极板一般由不锈钢、钛合金、铝合金等直接加工而成。优点为它是良好的电、热导体，机械型质佳、强度高、阻气性好，容易做薄等。缺点是单位密度高，质量功率密度较低，容易发生腐蚀。一方面腐蚀金属离子会对催化剂产生毒化作用，金属离子还会与质子交换膜发生离子交换；另一方面金属板表面腐蚀容易形成钝化层，使电极与双极板间的接触电阻增大，降低电池输出功率。

　　复合材料双极板分为结构复合和材料复合两类。结构复合双极板往往用金属作分隔板，边框采用塑料、聚砜、碳酸酯等，流场采用炭板或石墨板，结合石墨板与金属板两者优点。材料复合双极板的碳/聚合物复合材料的填料一般为导电石墨，聚合物一般为热塑性（如聚丙烯、聚偏氟乙烯）或热固性有机物（酚醛树脂）。这种复合材料一来在成型同时形成流场，简化生产工艺；二来便于进行大规模生产，减低双极板的生产成本。

　　目前通常使用的双极板为石墨双极板和复合材料双极板，再加上近年来，新兴的中间相碳微球（MCMB）成为制备高性能碳石墨材料的首选原料，以及树脂基复合材料和新型碳/碳复合材料等的研发制备工艺的改进也提高了双极板的性能，使得这两种双极板得到了更为广泛的使用。

4 核心提示质子交换膜燃料电池的应用和存在问题

　　质子交换膜燃料电池的主要应用领域可分为三大类，包括：用作便携电源、小型移动电源，适用于军事、通讯、计算机等；用作交通工具动力，如摩托车、汽车、火车、船舶等；用作分散型电站，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。

　　质子交换膜燃料电池技术经过一段时间的发展，虽已成为目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。但目前仍在成本因素、燃料来源、安全储存等方面存在一些问题。成本因素方面：当前车用燃料电池大量使用铂催化剂，为了降低成本，需进一步降低铂催化剂的使用量，并寻求廉价的替代品；应用最多的质子交换膜是全氟磺酸膜（PFSAs）主要依靠进口，价格约600美元/平方米左右；常用的不透性石墨材料，需精密加工、不易批产。燃料来源方面，加氢站数量少是制约燃料电池汽车发展的重要因素，廉价制氢也是燃料电池产业需要考虑的重要问题，推广初期主要以分散制氢为主，可控制成本、使用便利，未来规模化发展之后，将主要采用集中制氢的方式，可能应用太阳光催化光解制氢、生物制氢等新方法。安全存储方面，短期内高压罐储氢仍是主要氢气储存手段，长期来看需要发展储氢容量高、安全性好、吸/放氢速率快、寿命长、成本低的新型材料。