1 核心提示 氢能与燃料电池

　　燃料电池系统总的化学反应方程式，本质上是电化学反应，氢气在电能产生过程中没有参与燃烧反应。在阳极，它的反应方式是氢气在阳极通过催化剂的作用失去两个电子形成两个氢质子；在阴极，是空气中的氧气，和从阳极迁移过来的质子结合电子，生成水，它的总反应方程式是氢气加上氧气生成水。由此可见，氢燃料电池在工作过程当中，唯一的产物就是水，还有相当一部分的热量和电能。

　　燃料电池单电池由膜电极、双极板、密封件构成，膜电极包含气体扩散层、催化层和质子交换膜。其中，气体扩散层是膜电极的重要组成部分，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道。质子交换膜燃料电池的阴极和阳极的主要催化剂以铂和铂碳颗粒为主，质子交换膜往往具备较高的质子传导率、气体或燃料的渗透性低、水的电渗系数小、有较好的化学和电化学稳定性、良好的机械强度、较低的成本等特性。双极板的主要功能是分配电池中的燃料和氧化剂、分离电池组中的单电池、传导电流、传输生成水和湿气、冷却电池组等。

　　阳极气体扩散层主要用于氢气和水的传输；阳极催化层，主要是氢气在铂催化作用下发生氧化，产生质子；质子交换膜，是将阳极产生的质子传导至阴极；阴极催化层主要是氧气在铂催化作用下与质子结合，发生还原反应，生成产物水；在阴极气体扩散层，主要用于氧气和产物水的传输。

　　在小电流区域的动力学损失，主要由阳极和阴极反应的催化剂决定；中电流区域的欧姆损失，主要由膜传导质子的速率决定；大电流区域的传质损失，主要由质子和氧气的传输速率决定。

　　2 核心提示 燃料电池低铂催化剂

　　催化剂对燃料电池电堆的功率和寿命有很大影响，是燃料电池的核心部件。质子交换膜燃料电池是低温燃料电池，工作温度不足100℃，是唯一能应用在汽车领域的燃料电池，但对催化剂的活性要求很高。目前铂是最理想的催化剂，也是唯一商业化的催化剂。

　　铂属价格昂贵的稀有贵金属，被运用到燃料电池质子交换膜内，通常是暴露在表面的铂原子会被有效利用，而位于铂颗粒内核的铂则未被利用，从而降低了铂的利用率；且当处于低相对湿度和大电流区域时，位于孔道内部的铂不能有效催化氧气还原，进一步降低了铂的利用率。

　　在低铂技术路线中，主要是为了降低铂载量，提高催化剂活性，从而降低在小电流区域的动力学损失，提高比功率。

　　催化剂总的活性取决于单个活性位点的活性大小和总的活性位点的数目多少。比如说，在活性位点数目相同的前提下，如果单个活性位点的活性较大，那么催化剂总的活性就较高；同样，如果说，单个活性位点的活性相同，如果活性位点数数目较多，那么催化剂总的活性也就相应较高。所以，要提高催化剂的活性，一方面可以提高单个活性位点的活性，另一方面可以提高活性位点的数目。这两种方法对于低铂和非铂催化剂的设计均适用。除了催化剂的活性，催化剂的分布以及催化剂的利用率同样对最终的性能有重要影响。

　　3 核心提示 燃料电池非铂催化剂

　　从低温燃料电池的大规模应用以及长远发展角度考虑，非铂催化剂是低温燃料电池催化材料的主要发展方向之一。燃料电池非铂催化剂的研究对于燃料电池这种未来清洁能源的商业化，也具有非常重要的意义。

　　非铂催化剂的催化活性和稳定性，与传统铂基催化剂相比，仍有一定差距。但是，这些催化剂具有价格低廉、资源丰富的优势，是潜在的可代替铂的廉价电催化剂。应用新方法、新技术改进催化剂制备方法，提高活性组分分散度，从而大幅度提高催化活性，是燃料电池的一个主要研究方向。

　　低铂催化剂目前均采用铂合金或铂核壳结构，内部主要是一些便宜的其他过渡金属，初始性能可以达到DOE的要求，但耐久性是目前存在的最大问题；在保持目前性能的前提下，继续降低铂载量将是一个痛点难点问题。非铂催化剂无论是性能还是寿命，都无法与铂基催化剂相比较，车用场景不太适合，可能可以应用于固定基站等场景；对非铂催化剂的失活机制需要探究并得到更深入的理解认识。