前沿科学

    质子交换膜燃料电池是一种将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转换为电能的能量转换装置，同时运行温度低、启动速度快，产物仅为水，使用绿氢作为燃料时可实现真正意义的零排放。

    当质子交换膜燃料电池用作汽车动力源时，燃料电池汽车相较于传统燃油车效率更高且更加环保，相较于锂离子电池汽车，加氢时间短、续航里程长、载重量高，并在零下低温环境也不会出现里程缩短的问题。这些突出的特点使得燃料电池有望成为新能源汽车领域的明日之星。

    实现大规模商业化还有距离

    尽管当前国家出台了一系列政策鼓励氢能和燃料电池汽车产业发展的策略，但距离燃料电池汽车实现大规模商业化还有一段距离，主要因为燃料电池汽车制造和运行成本高，燃料电池的性能和寿命还有待进一步提升，燃料电池汽车产业基础设施还不够完善。

    当前，一台燃料电池汽车的售价是燃油车的2—3倍、锂离子电池车的1.5—2倍。除此之外，由于氢气的制、储、运，以及加氢站建设费用高，导致氢气价格偏高。加氢站的氢气价格大约每千克60—70元，而只有当氢气价格降低至每千克30元以下时，燃料电池汽车的燃料经济性才能与燃油车相竞争。

    为了适应交通运输领域对使用寿命的需求，需要最终将燃料电池的寿命提升至2.5万小时以上。以氢气制取、储运和加氢站为代表的基础设施的完善，是燃料电池汽车产业大规模发展的前提。

    向低成本、大功率、长寿命发展

    当前，我国燃料电池汽车行业发展如火如荼，整体趋势朝着低成本、大功率和长寿命的方向发展。

    燃料电池系统成本主要包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板以及辅助系统。其中燃料电池系统年产量大于50万套时，催化剂约占总成本的41%、双极板约占28%、膜约占9%、气体扩散层约占6%、BOP约占10%。因此，降低燃料电池系统成本需要从各个部件角度考虑，技术创新、国产替代以及批量生产，是当前降低成本的主要方式。预计到2025年，我国燃料电池系统成本或降到每千瓦1000元。

    为了适应更多应用场景的需求，大功率化是燃料电池发展的另一个趋势。从最初的30千瓦到如今200—300千瓦，单堆功率的提升意味着功率密度的提升，对电堆尺寸、材料、部件以及控制策略，都提出了更高的要求。

    长寿命也是燃料电池发展的一个重要趋势。重卡是燃料电池汽车应用非常重要的一个领域，未来需要满足3万小时以上的使用寿命。目前，国际先进水平已达2.5万小时，而国内普遍还停留在1.5—2万小时，因此下一步还需提升燃料电池的使用寿命。而提升燃料电池使用寿命的措施，主要是从材料角度设计耐久性更强的材料，以及从系统控制角度开发更加适宜的控制策略。

    截至2022年底，全球燃料电池汽车保有量约为6.7万辆，相较于2022年全球新能源汽车超过1000万辆的总销量占比还很低。但我们相信，随着燃料电池技术的不断进步，相关配套设施的不断完善，燃料电池汽车终将逐步走入我们的生活。

    （第一作者系中国科学院大连化学物理研究所博士，第二作者系中国科学院大连化学物理研究所研究员）