氢燃料电池技术（PEMFC）被誉为清洁能源领域的"明日之星"，在交通、发电、储能等领域展现出广阔的应用前景。

然而，受制于高昂的成本，该技术目前仍难以与传统内燃机和锂离子电池形成有效竞争。其中，催化剂（含铂等贵金属）和质子交换膜是推高成本的主要因素。

美国能源部的数据显示，在为重型运输设备设计的燃料电池中，催化剂和质子交换膜共同占到了成本的70%，其中催化剂占到59%，质子交换膜占到11%。

针对这一瓶颈问题，挪威研究人员近期取得突破性进展，通过创新这两大核心部件显著提升了燃料电池的成本竞争力。

挪威SINTEF氢能实验室的研究人员在一份新闻稿中表示：“我们已经开发出了一种新型质子交换膜，这种膜非常轻薄，相比之下A4纸（100微米）摸起来都像厚纸板一样。”

实验室开发出的交换膜原型厚度仅为10微米（10μm），比现行标准15微米（15μm）减少了33%。研究人员表示，仅此一项突破即可将膜成本降低高达20%。

这项创新技术有望大幅降低燃料电池的成本和对环境的影响，研究成果发表在《电化学学会杂志》上。

除了膜技术的创新外，研究团队还成功将催化剂中铂的含量降低了约62.5%，具有极大成本优势。

质子交换膜（PEM）和催化剂作为氢燃料电池（PEMFC）的两大核心组件，共同决定着能量转换效率和整体性能。

图说：氢燃料电池结构

来源：MDPI

质子交换膜（PEM）的主要功能是传导质子以及隔离阴极、阳极反应物。

膜厚度是影响质子传输阻力和氢穿透的重要参数。通常，质子传输阻力会随着膜厚度的减小而降低，从而提高燃料电池性能。

然而，较薄的膜又会导致反应气体的穿透通量增加，从而导致功率损失和燃料损失，造成燃料电池的耐久性降低。

因此，在设计膜电极组件时，了解膜厚度、成本、性能和耐久性之间的权衡是一个重要的考虑因素。

催化剂也是决定燃料电池性能和成本的关键部件。催化剂由无数铂（Pt）粒子组成，每个铂粒子就像一个微型反应器，将氢气转化为电能。反应器越多，发电量就越大。

但昂贵的材料也增加了成本。铂金属是地球上最昂贵、最稀有的矿物之一，欧盟已将铂金列为关键原材料。

为了与目前的低成本内燃机竞争，有人假设燃料电池组的铂负载量必须低于0.15 g Pt kW -1。而降低铂催化剂负载量需要清楚了解铂负载量对燃料电池性能和耐久性的影响。

在阳极，铂负载量可降低至0.05–0.10毫克/平方厘米，而不会导致明显的电压损失，因为Pt对氢气的电氧化具有很高的催化活性。

然而，阴极的氧还原反应 (ORR) 动力学则比阳极反应慢了约5个数量级。这对于在不影响性能的情况下达到商业铂负载量目标构成了重大技术障碍。

“因此，在材料用量和性能之间找到最佳平衡至关重要。在这项研究项目中，我们找到了一种配置反应堆的方法，使其能够提供足够的能量来运行燃料电池，同时大幅减少所需的材料用量。”SINTEF的研究员帕特里克·福廷 (Patrick Fortin) 说道。

图说：新型超薄质子交换膜

来源：SINTEF

研究人员报告了对三种膜电极组件的全面研究，以比较膜厚度和阴极催化剂负载对燃料电池性能的影响。

这三种膜电极组件的配置分别为：15微米，0.4 mg Pt cm-2、15微米，0.1 mg Pt cm-2以及和10微米，0.1 mg Pt cm-2。

研究人员在相同的催化剂负载水平下，将膜厚度从15μm减少到10μm，结果发现，这一改变并未显著影响燃料电池性能。

实验发现15μm和10μm膜的欧姆电阻相似，这表明当质子交换膜的厚度减小到15μm以下时，质子传输将主要受表面介导效应而非本体离子传输效应的影响。

“在测试过程中，我们注意到体积电阻在15μm以下变得可以忽略不计，并且性能仅由界面电阻决定，对于两种膜而言，界面电阻是相同的，”SINTEF研究员Patrick Fortin解释道。

研究人员的计算表明，仅此一项突破即可将膜成本降低高达20%，并将有害氟化聚合物（PFAS）的含量降低33%。

氟化聚合物的生产、降解和处置会导致有害化合物的释放，从而造成严重的健康和环境问题，因此被欧盟视为具有日益增加的化学风险。

除了膜技术的进步外，与当前的燃料电池相比，研究团队还成功将催化剂中铂的含量降低了62.5%。

研究人员在排列无数微小铂反应堆粒子时找到了最佳平衡，从而可以在大幅减少材料需求的情况下产生足够的电力。

“减少燃料电池中的铂含量，不仅有助于降低成本，还有助于应对重要原材料供应和可持续性方面的全球挑战。”Fortin 表示。 

图说：研究员帕特里克·福廷（Patrick Fortin）展示新型超薄膜

来源：SINTEF

这种双管齐下的材料减少方法对于减少温室气体排放具有巨大的潜力，特别是在重型运输、海运业以及长期的航空业。

这项研究是欧盟资助的CAMELOT项目的一部分，该项目旨在更好地了解限制当前质子交换膜（PEM）燃料电池性能的因素。

SINTEF的研究人员已与催化剂制造商庄信万丰（Johnson Matthey）以及燃料电池制造商PowerCell达成合作。

庄信万丰已生产出面积为300平方厘米的催化剂涂层膜，并在PowerCell设计的用于长途运输的PEM燃料电池中进行了测试。

测试表明，新型超薄膜可以以更低的成本和更低的氟化聚合物含量在燃料电池汽车中实现商业化应用。

“如果这些创新付诸实践，我们的研究将有助于使未来的清洁能源技术（如强大的PEM燃料电池）更便宜、更可持续。”Fortin总结道。