1 成果简介

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种零排放、高效与高功率密度的发电装置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前景。经过持续多年研发，目前PEMFC在能量效率、比功率、低温启动等性能指标方面已经取得了突破性进展，使得燃料电池汽车的性能接近传统内燃机汽车的水平。在PEMFC技术日趋成熟和多国氢能战略驱动的背景下，由燃料电池汽车领衔的新一轮氢能产业化浪潮正在迫近。我国自“十五”新能源汽车重大科技专项启动以来，初步掌握了燃料电池电堆、动力系统、整车集成等核心技术，并经历规模示范运行，具备燃料电池整车的生产能力。截至2019年底，累计入选工信部公告《新能源汽车推广应用推荐车型目录》的燃料电池车型共计177款，并在多地实现了小规模全产业链示范运营，标志着我国氢能大规模商业化应用已经开启。但在技术水平上，国内燃料电池发动机材料与零部件产业化滞后，总体技术水平落后于西方发达国家。具体而言，氢燃料电池上游缺乏量产技术与规模生产能力，如国产催化剂存在量产技术匮乏，工程化应用经验不足；国内膜电极厂家缺乏低铂载量和高耐久性技术，以及随着燃料电池汽车产销量不断提高，膜电极产能瓶颈突显。

清华大学核研院从1994年就致力于氢能与燃料电池关键材料及器件的研发及产业化，承担了我国氢能领域第一个973项目“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”、第一个燃料电池发动机“863”项目、第一个燃料电池国产化“863”项目，在氢能燃料电池领域积累了深厚的技术与工程实践经验，培育了我国氢能自主研发的早期力量，形成了以新概念燃料电池研制引领创新和以高性能电源应用开发面向市场的研究特色。近几年依托中日氢能系统性问题合作研究平台与新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室研发平台和20多项国家项目资助，清华大学核研院具备了大功率电堆(100kW)及关键部件的设计、量产工艺及工程化经验。在氢能燃料电池方向发表SCI 论文210篇（引用5765 次），授权发明专利138件（其中美国发明专利15件），共同起草多项国家标准。针对高活性、高耐久性的铂基纳米催化剂在量产过程中催化颗粒尺寸一致性及其在载体表面的均匀分布性等宏量制备一致性问题，采用管道连续微波均质催化剂量产技术以及量产型二元或多元合金催化剂的制备工艺（如图1所示），使反应浆料从配方到最终的洗涤干燥，均处于定量流动状态，保证了反应的均匀性和生产效率。通过上述方案解决燃料电池催化剂量产瓶颈，极大地提高了产品的一致性，可实现催化剂工业化规模制备。催化剂品种包括Pt/C、PtCo/C、Ni@Pt/C核壳催化剂、PtCu/C合金催化剂以及单原子分散的PtZn非铂催化剂。通过碳载体的石墨化处理与N掺杂技术、催化剂包覆与后处理技术，实现了催化剂的耐久性大幅提升，所组装的短堆经过5000h耐久性测试后，电堆平均衰减5.2%，具有高耐久性潜力(如图3所示)。膜电极（Membrane Electrode Assemblies，MEA）是多相物质传输和电化学反应场所，决定着PEMFC的性能、寿命以及成本，主要由催化剂、质子交换膜及其溶液、气体扩散层制备而成。

针对燃料电池随电流增大，电压呈明显下滑的难点，通过膜电极材料体系、浆料配制和涂覆工艺优化大大改进膜电极的性能和耐久性，并集成膜电极一体化封装专利技术，发明了高效膜电极。经过单体测试，电流密度1A/cm2，电压高达0.718V；电流密度2A/cm2，电压高达0.633V，功率密度可以达到1.6W/cm2；峰值功率密度可达到2W/cm2，从文献报道结果看，处于国际先进水平。燃料电池主要面向重型动力应用，高性能、长寿命和低成本的大功率燃料电池技术是发展趋势。基于燃料电池材料部件国产化技术，通过多轮的结构优化设计、流体分配与流场分布仿真验证，在解决均匀性和耐久性方面取得突破，研制出了100kW级的大功率燃料电池电堆，并具备完整的自主知识产权(如图4所示)。

本项目技术指标

项目            指标

催化剂     1)电化学活性面积：≥70m2/g； 

              2)质量比活性：≥30A/g @0.9ViR-free； 

              3)耐久性：极化性能衰减率≤4% （@1A/cm2， 1.0-1.5V 扫描 5000 圈）

              4)单条生产线产能：≥1kg/天

              5)产品 ECSA 的一致性：±2%；产品用于 MEA 的极化性能的一致性：±2% （@1A/cm2）

膜电极     1)额定功率超过 1.26W/cm2 （@0.633V）；峰值功率超过 1.7W/cm2 （@0.542V） 2)极化曲线如图 2 所示。其中阴阳极载量合计                 ≤0.4mg/cm2 电 堆 1)单堆功率：70-120kw； 

              2)比功率：≥3.2 kw/L； 

              3)预期工况寿命：≥10000h；

              4)材料成本（年产 10 万台）：500 元/kW。

 2 应用说明

我国高度重视氢能及燃料电池产业发展。从2011年以来，政府相继发布《“十三五”战略性新兴产业发展规划》《能源技术革命创新行动计划（2016～2030年）》《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）》《中国制造2025》等顶层规划。2019年3月，十三届全国人大二次会议将“推动充电、加氢等设施建设”增补进入《政府工作报告》，鼓励并引导氢能及燃料电池技术研发与推广应用。与发达国家相比，虽然目前我国氢能产业化态势全球领先，但在燃料电池关键材料部件如催化剂、气体扩散层、膜电极等方面还存在明显的“卡脖子”问题，主要依赖进口，《中国制造2025》做出规划，氢能相关产品国产化率2025 年达到50%。为此，本项目聚焦燃料电池上游材料部件内核创新，对实现我国氢能产业自主健康发展具有重要意义。

项目成果的逐步推广应用，可望使我国燃料电池制造商摆脱长期依赖进口催化剂等关键材料的不利局面，促进我国燃料电池产业走有“源”的自主发展之路。推广基于国产材料的大功率燃料电池在交通动力、储能调峰、热电联供等工业领域应用，摆脱对发达国家技术依赖具有战略性意义。

目前，本项目成果已经批量应用于燃料电池物流车(几十辆级)。在技术开发和成果转化过程中，先后获得“第十九届全国发明展览会发明奖”金奖、北京市第三届发明专利奖一等奖、“清华大学科研成果推广应用效益奖”二等奖、“第十届国际发明展览会发明奖”金奖、湖北省技术发明奖等多项奖励。

3 效益分析

近年来，在PEMFC技术日趋成熟和多国氢能战略驱动的背景下，由燃料电池汽车领衔的新一轮氢能产业化浪潮正在迫近。2019-2030中国节能与新能源汽车技术路线图预期到2030年，全球燃料电池汽车的产能将达100万辆以上，其中燃料电池电堆的产能规模将达5000亿元人民币左右。本项目产品的推出将具有良好的经济社会效益。国际氢能委员会研究预测，到2050 年氢能源将创造3,000万个工作岗位，减少60亿吨二氧化碳排放，创造2.5万亿美元的市场价值，在全球能源中所占比重有望达到18%。美国、日本、韩国等国家作为全球氢能倡导者和领跑者，高度重视燃料电池技术的开发。燃料电池正在新能源汽车、热电联供、分布式发电、叉车电源、潜艇、航天等领域开始广泛应用，燃料电池具有广阔的市场前景。 

4 合作方式

产业化开发、专利合作或联合推广

5 所属行业领域

能源环境领域。