“質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）、加拿大皇家科學院院士、福州大學材料科學和工程學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表了“車用動力氫能質子交換膜燃料電池：核心技術與科技挑戰與對策”的主題演講。針對當前燃料電池產業化的挑戰和提升耐久性的解決之策展開了分析和建議。    

燃料電池車產業化的三大挑戰     

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，對環境的污染會引發一系列的社會問題。世界各個國家都在發展新能源汽車（如鋰電池、燃料電池等），其中燃料電池已逐漸上升為國家戰略。

從技術角度看，燃料電池包括很多種，如質子交換膜燃料電池、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子交換膜燃料電池，其最大的優勢有兩個：一是零排放，二是能夠在重卡、飛機等場景應用，存在鋰電池等競爭路線無法比擬的優勢。

“質子交換膜燃料電池已被認為是電動車的終極主力電源，但現在仍沒有實現大規模產業化，這背后原因主要有三個方面的挑戰：科學技術挑戰、經濟挑戰和基礎設施挑戰。”張久俊院士指出。

一是科學技術挑戰，主要是燃料電池動態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用的重卡場景，在實際工況中需要百萬小時的連續操作，電流、電壓、溫度、壓力的波動對燃料電池穩定運行造成挑戰，目前的燃料電池耐久性還達不到商業運營的要求。

二是經濟挑戰，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，這也是產業鏈上下的發展共識。

三是基礎設施挑戰，加氫設施的普及程度太低，包括制氫、儲氫、運氫、用氫的產業鏈尚未打通，實際運行的經驗太少。燃料電池技術進步相當快，近年產業鏈把目光聚焦到制氫，中間儲運環節還需要加緊攻克，這些都是未能推進燃料電池大規模產業化的原因。

綜合看來，燃料電池面臨的挑戰因素一方面來自市場方面，一方面來自底層的科學技術方面，解決燃料電池運行耐久性問題，是邁向產業化必須突破的難關。

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功率密度達到850W/L、長期運行目標大于10000小時、規模生產成本達到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%；實際動態操作下的壽命大于10000小時。目前的燃料電池尚未達到產業化的標準。”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、質子交換膜、氣體擴散層所決定，這也是目前不能夠完全國產化替代的主要部件，通過基礎科學研究和技術的創新是提高催化劑和膜穩定性的必然舉措。    

張久俊院士長期從事電化學能源存儲和轉換及其材料的研究和產業化應用開發，包括燃料電池、高比能二次電池、超級電容器、CO2電化學還原和水電解等。從科學技術的角度提出了解決燃料電池運行耐久性問題的挑戰和對策：    

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；催化劑結構在燃料電池運行中的構型坍塌；催化劑衰減、預防及改善機理的基礎科學研究不充分。

針對這些問題的主要對策為：研發非碳支持體的Pt基催化劑；優化催化劑與支持體的結構構型及組分，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并結合原位測量技術理清催化活性和活性衰減機理之間的構效關系，以研發高活性高耐久性的催化劑。

質子交換膜有全氟磺酸膜、增強型全氟磺酸膜和高溫型復合質子交換膜，車用質子交換膜燃料電池電解質膜的耐久性科學技術挑戰主要是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）；痕量金屬離子占據質子交換位置使膜導電性能下降；膜衰減、預防及改善機理的基礎科學研究不充分等。    

需要從改善研發新型質子交換膜，包括增強型的高溫、有機-無機復合膜，提高膜的機械、熱、化學穩定性；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并結合原位測量技術理清膜性能與衰減機理之間的構效關系，以研發高耐久性的電解質膜等方面解決。

氣體擴散層方面，主要挑戰包括電池正極高電勢（小電流）下碳紙層/微孔碳層的電化學氧化使功能衰減；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，研發抗氧化能力強的微孔碳層及優化此碳層的組分以增強其機械、熱及化學的穩定性；發展碳紙層/微孔碳層/催化層的傳質模型以深入研究和優化電流/電壓分布及氣體/水的傳質，提供優化設計；使用高通量計算及人工智能技術并結合原位觀測技術理清碳紙層/微孔碳層/催化層性能與衰減機理之間的構效關系，以研發高耐久性的碳紙層/微孔碳層等。

“目前我們聯合驪能新能源開發了高性能炭紙層/微孔碳層氣體擴散層,所生產的材料各項性能指標都優于商品化的樣品，正在推進產業化。”張久俊院士最后介紹道。