趙俊杰，涂正凱

（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074）

燃料電池是在催化劑的作用下將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、運(yùn)行可靠性高、綠色環(huán)保、運(yùn)動(dòng)部件少、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石能源最有前景的綠色能源轉(zhuǎn)化裝置[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在許多類型的燃料電池中能夠提供最高的能量密度且可以快速啟動(dòng)并對(duì)電力需求的變化提供良好的響應(yīng)。PEMFC 的這些優(yōu)點(diǎn)使其成為運(yùn)輸和便攜式小型固定應(yīng)用中的有希望的候選者[2]。

《新能源產(chǎn)業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃》被業(yè)界奉為“國(guó)家新能源發(fā)展戰(zhàn)略”，它將新能源汽車的發(fā)展列入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃，得到社會(huì)各界的關(guān)注與支持[3]?！妒逡?guī)劃綱要》明確提出大力發(fā)展新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車技術(shù)[4]。自此，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了高度重視，近年來(lái)相繼出臺(tái)了一系列支持政策。《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》、《中國(guó)制造2025》、《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》、《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等紛紛將發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)列為重點(diǎn)任務(wù)，將燃料電池汽車列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域[5]。2018年2月財(cái)政部發(fā)布《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，燃料電池汽車的補(bǔ)貼力度保持不變，繼續(xù)給予燃料電池汽車高額補(bǔ)貼，加快促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[6]。

車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆根據(jù)所使用的膜材料不同可以在高溫（90～120℃）下或在低溫（＜90℃）下工作[7]。與高溫燃料電池相比，低溫燃料電池具有啟動(dòng)快、體積小、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，目前在燃料電池車中應(yīng)用較為廣泛，但水管理較為復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)氣體的純度要求高，容易產(chǎn)生CO中毒問(wèn)題。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（HT-PEMFC）相比于低溫子交換膜燃料電池（LT-PEMFC）具有以下優(yōu)點(diǎn)。①對(duì)CO 具有較高的耐受性，減少了CO中毒問(wèn)題，這是因?yàn)镃O會(huì)與H競(jìng)爭(zhēng)Pt催化劑吸附位置，氫吸附比CO 吸附放熱小，溫度的升高有利于CO 覆蓋度的降低和H 覆蓋度的提高。可以改善質(zhì)子交換膜燃料電池與重整氣一起運(yùn)行時(shí)的性能。②提高了陰極和陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)速率，液態(tài)水會(huì)瞬間蒸發(fā)，并伴隨沒(méi)有反應(yīng)掉的氧氣一起排到電池外部，不會(huì)發(fā)生水淹現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了PEMFC 內(nèi)部的水管理系統(tǒng)。③冷卻液與環(huán)境溫差更大，余熱利用效率更高[1]。

盡管HT-PEMFC 相較于LT-PEMFC 有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的應(yīng)用仍然存在著很多挑戰(zhàn)：①高溫環(huán)境會(huì)造成膜脫水和質(zhì)子電導(dǎo)率下降，熱分布不均勻會(huì)導(dǎo)致膜損傷[8]；②催化劑在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生碳載體腐蝕和團(tuán)聚現(xiàn)象，影響電池的整體性能和壽命[9]；③較高的溫度延長(zhǎng)了燃料電池的啟動(dòng)時(shí)間，正常工作前需要對(duì)電池預(yù)熱，導(dǎo)致電池啟動(dòng)緩慢[10]。因此，本文對(duì)燃料電池的工作原理、材料和各企業(yè)的研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行介紹，并針對(duì)存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1 質(zhì)子交換膜燃料電池概述

1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

HT-PEMFC 的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的PEMFC，主要由雙極板、擴(kuò)散層（GDL）、催化層、質(zhì)子交換膜幾部分組成。質(zhì)子交換膜燃料電池陽(yáng)極中的氫氣以及陰極中的氧氣分別在陽(yáng)極催化層和陰極催化層內(nèi)發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理圖。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖

燃料電池工作時(shí)，陰極反應(yīng)氣體氧氣進(jìn)入陰極流道，陽(yáng)極反應(yīng)氣體氫氣進(jìn)入陽(yáng)極流道。氣體在流道中流動(dòng)并分布在燃料電池表面，同時(shí)氣體通過(guò)擴(kuò)散作用穿過(guò)GDL 層到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在催化劑作用下，分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)電池陰極，電子則通過(guò)電流收集板收集，對(duì)外電路做功。氧氣經(jīng)過(guò)陰極擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層表面，在催化劑的作用下，氧氣與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子、外電路電子結(jié)合成水，放出大量的熱?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下。

1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池電堆組成

燃料電池單電池的開路電壓在1.25V左右，電壓較低，輸出功率遠(yuǎn)滿足不了汽車等動(dòng)力設(shè)備的用電需求。通常將一定數(shù)量的單電池以串聯(lián)方式層疊組合，若干單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固栓牢，構(gòu)成燃料電池電堆。單體電池主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層和雙極板組成。

（1）質(zhì)子交換膜 質(zhì)子交換膜起到隔絕氧氣和氫氣、防止氣體在陽(yáng)極通道與陰極通道間發(fā)生混合反應(yīng)的作用，同時(shí)控制氫離子從陽(yáng)極穿過(guò)膜移動(dòng)到陰極，與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水。因此要求質(zhì)子交換膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，同時(shí)在高溫運(yùn)行環(huán)境下具有良好的耐久性和保濕性。

（2）催化層 催化劑用來(lái)提高電極上化學(xué)反應(yīng)的速率，通常采用鉑或鉑合金作為催化劑。催化劑的高成本和低穩(wěn)定性是目前PEMFC 大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用面臨的重大難題，同時(shí)在高溫環(huán)境下，催化劑易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象而降低燃料電池的性能。因此，催化劑的發(fā)展，包括貴金屬負(fù)載的降低、催化劑穩(wěn)定性的提高以及替代催化劑的研究是目前研究的重點(diǎn)。

（3）氣體擴(kuò)散層 該層將反應(yīng)氣體分布在催化層表面，保證電子和質(zhì)子在電極和雙極板之間的接觸，同時(shí)為燃料電池中液態(tài)水和氣態(tài)水的排出提供通道。目前，廣泛應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)U(kuò)散層的材料為碳纖維紙，主要作用是支撐催化層和微孔層，進(jìn)行氣體傳輸[11]。

（4）雙極板 目前應(yīng)用比較成熟的燃料電池流場(chǎng)板由石墨流場(chǎng)板和金屬流場(chǎng)板。流場(chǎng)板中設(shè)有一定形狀的流道，流道結(jié)構(gòu)對(duì)于氣體的流動(dòng)有較大的影響，可以引導(dǎo)反應(yīng)氣體在其內(nèi)部流動(dòng)，將氣體最優(yōu)分配到電池內(nèi)的活性區(qū)域，參加化學(xué)反應(yīng)。

2 高溫車用燃料電池的研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)車企

日本、韓國(guó)、美國(guó)和歐盟等國(guó)都投入了大量的人力、物力開展燃料電池汽車的研究，近年來(lái)，我國(guó)也高度重視對(duì)燃料電池車的研究。豐田、本田、通用、奔馳、上汽等公司都已開發(fā)出燃料電池車型并進(jìn)行示范運(yùn)行，進(jìn)入初步應(yīng)用階段。2015 年，豐田推出了世界首款商業(yè)化銷售車型“Mirai（未來(lái)）”，開始邁入產(chǎn)業(yè)化門檻。2017年本田公司開發(fā)的新款燃料電池車Clarity Fuel Cell 投入市場(chǎng)銷售。2017 年9 月奔馳發(fā)布GLC F-CELL 量產(chǎn)車型，計(jì)劃2018 年上市銷售，2018 年1 月現(xiàn)代發(fā)布新一代燃料電池汽車NEXO，最大續(xù)航里程達(dá)805km[5]。在2017 年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，上汽集團(tuán)推出的燃料電池轎車榮威950，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一一款實(shí)現(xiàn)銷售和上牌的燃料電池轎車。

目前，國(guó)內(nèi)燃料電池轎車在百公里加速時(shí)間、最高車速和續(xù)航里程上已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但在燃料電池的輸出功率、耐久性和氫罐壓力等方面還存在較大差距。表1為國(guó)內(nèi)外主流燃料電池車性能對(duì)比。

2.2 電堆功率密度的發(fā)展

隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，電堆的功率密度得到了大幅增加。2012 年日產(chǎn)汽車公司研發(fā)的電堆功率密度達(dá)到了2.5kW/L，代表了當(dāng)時(shí)國(guó)際最高水平。2013 年，豐田宣布其新一代燃料電池堆功率密度達(dá)到3.0kW/L[14]。我國(guó)新源動(dòng)力公司項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在高功率密度燃料電池電堆技術(shù)開發(fā)上取得重要進(jìn)展。研發(fā)的Ⅰ型電堆功能樣機(jī)的電堆功率密度超過(guò)2.0kW/L。同時(shí)，針對(duì)以更高功率密度（3.1kW/L）為目標(biāo)的Ⅱ型電堆開發(fā)工作也取得了明顯進(jìn)展，在無(wú)外增濕條件下電極功率密度超過(guò)1W/cm2[15]。表2列出了部分質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的性能對(duì)比。

從表2中可以看出我國(guó)燃料電池電堆的電流密度和比功率密度仍落后于國(guó)外企業(yè)。要提高電堆的功率密度，需從膜電極、雙極板、進(jìn)氣方式、加濕方式等方面進(jìn)行改進(jìn)。

表1 國(guó)內(nèi)外主流燃料電池車性能參數(shù)[12-13]

表2 燃料電池電堆性能對(duì)比[16]

2.3 膜電極

膜電極由質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層組成，是多相物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，決定著PEMFC 的性能、壽命及成本。Qu 等[17]制備了不同Pt負(fù)載的膜電極組件，并用掃描電子顯微鏡和投射電子顯微鏡研究了催化層和Pt/C催化劑的衰減。發(fā)現(xiàn)隨著Pt 含量的增加，膜電極組件的衰減得到緩解，但較高的Pt 負(fù)載量意味著較厚的催化層，較長(zhǎng)的質(zhì)量傳遞路徑，會(huì)導(dǎo)致膜電極組件中的碳材料腐蝕。劉世偉等[18]使用易于分散的聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）作為疏水黏結(jié)劑，聚苯并咪唑（PBI）離聚物作為親水黏結(jié)劑，制備了雙層的新型復(fù)合催化電極，并研究了該電極用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。研究發(fā)現(xiàn)，該電極與單獨(dú)使用PBI離聚物相比，電池功率密度提高了22%。

膜電極技術(shù)經(jīng)歷了三代發(fā)展，分為熱壓法、CCM（catalyst coating membrane）法和有序化膜電極。其中CCM 是目前主流的商業(yè)化制備方法，是將催化劑層通過(guò)轉(zhuǎn)印法或直接噴涂法制備到質(zhì)子交換膜兩面上，形成CCM 三合一膜電極。但由此制備的催化層中，質(zhì)子、電子、氣體和水等物質(zhì)的多相傳輸通道均處于無(wú)序狀態(tài)，存在著較強(qiáng)的電化學(xué)極化和濃差極化，制約著膜電極的大電流放電性能。隨著納米線狀材料的發(fā)展，催生了有序化膜電極的概念。人們嘗試將納米線狀材料引入膜電極催化層，制備了有序化膜電極，其擁有較高的單位體積的反應(yīng)活性面積及孔隙結(jié)構(gòu)相互貫通的特性，具有高三相傳輸效率、高Pt 利用率和高耐久性等優(yōu)點(diǎn)[19]。近年來(lái)，有序化膜電極得到人們的重視，得到快速發(fā)展，成為膜電極領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。3M 公司制備的納米薄膜電極（NSTFs）具有高活性、高穩(wěn)定性的薄膜狀催化層，電極的穩(wěn)定性得到大幅度提高；催化層厚度僅為傳統(tǒng)Pt/C 催化層厚度的1/20～1/30，且Pt不會(huì)在高電位下發(fā)生周期性的氧化還原造成溶解與流失；催化劑載體為晶須，可以消除高電位下載體的腐蝕，極大地提高膜電極壽命，是目前性能最好的有序化膜電極，也是唯一商業(yè)化的有序化膜電極[20]。

2.3.1 質(zhì)子交換膜

全氟磺酸聚合物膜（Nafion）因其突出的化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性以及高質(zhì)子傳導(dǎo)率而廣泛應(yīng)用于車用燃料電池。全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，其碳—氟鍵的鍵能高，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他膜材料。同時(shí)由于高溫環(huán)境下，許多低溫操作所帶來(lái)的問(wèn)題可以得到解決，因此所以很多研究者都在對(duì)Nafion膜進(jìn)行改性，使其在高溫環(huán)境下保持良好的性能。

針對(duì)高溫燃料電池車的應(yīng)用要求，美國(guó)能源部制定了高溫質(zhì)子交換膜的技術(shù)目標(biāo)。該目標(biāo)要求在120℃和50%相對(duì)濕度條件下，膜的導(dǎo)電率達(dá)到0.1S/cm2[21]。但是在高溫低濕度環(huán)境下，Nafion膜的電導(dǎo)率會(huì)因?yàn)槟っ撍眲∠陆怠榱烁倪M(jìn)Nafion膜的高溫性能，研發(fā)了摻雜不同親水性氧化物（SiO2、TiO2等）的Nafion 復(fù)合膜。Amjadi 等[22]對(duì)高溫下Nafion/TiO2膜的性能進(jìn)行了分析，相較于純Nafion 膜，具有良好的吸水和保水性。熊小鵬[23]制備了一系列摻雜不同含量納米TiO2的Nafion/TiO2復(fù)合膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，納米TiO2顆粒的添加，可以顯著減小Nafion/TiO2復(fù)合膜的溶脹度，同時(shí)可以提高復(fù)合膜的電導(dǎo)率，在TiO2添加量為4%、相對(duì)濕度為45%時(shí)，復(fù)合膜的電導(dǎo)率比Nafion 膜高出接近一倍。Sigwadi 等[24]以ZrO2-CNT納米顆粒作為無(wú)機(jī)填料，對(duì)Nafion?117膜的性能進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果觀察到添加ZrO2-CNT 納米顆粒增加了膜的親水性和熱穩(wěn)定性，使其在高溫和低相對(duì)濕度條件下得以應(yīng)用。最近，他們又采用浸漬法將磷酸鋯（ZrP）摻入Nafion?117 膜中，與商業(yè)Nafion?117膜相比，該膜的力學(xué)性能和吸水率都得到較大改善，質(zhì)子導(dǎo)電率也得到提高[25]。Wang等[26]基于仿生設(shè)計(jì)的概念，從質(zhì)子轉(zhuǎn)移位點(diǎn)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移路線兩個(gè)角度，將多種氨基酸固定在納米纖維上，制備了新型的納米復(fù)合膜。結(jié)果表明該復(fù)合膜具有良好的質(zhì)子導(dǎo)電性能，在80℃時(shí)質(zhì)子導(dǎo)電率達(dá)到0.192S/cm，在PEMFC中具有良好的應(yīng)用前景。

針對(duì)高溫環(huán)境下Nafion膜的脫水問(wèn)題，摻雜了不同親水性氧化物（SiO2、TiO2等）的Nafion 復(fù)合膜在熱穩(wěn)定性與導(dǎo)電率方面的性能均得到了大幅度改善，應(yīng)用于高溫車用燃料電池具有良好的前景，是高溫車用質(zhì)子交換膜的重要發(fā)展方向。

2.3.2 催化劑

燃料電池產(chǎn)生電流的大小取決于電化學(xué)反應(yīng)的速率。為獲得更大的電流，需要使用催化劑來(lái)提高電化學(xué)反應(yīng)的速率。但在車用工況下，燃料電池通常要經(jīng)歷頻繁變載工況，引起電池溫度和濕度的變化，會(huì)加速電催化劑的老化與流失。因此，催化劑的高成本和低穩(wěn)定性嚴(yán)重制約著PEMFC 的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

降低Pt用量一直都是催化劑研究的主要方向，一方面可以通過(guò)提高催化劑的穩(wěn)定性和催化活性來(lái)降低Pt 用量，另一方面則是尋找替代催化劑來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Pt 催化劑。催化劑的結(jié)構(gòu)決定著催化劑的性能，“核殼”類催化劑和納米結(jié)構(gòu)催化劑等催化劑的特殊形貌和晶面優(yōu)化使其具有更加優(yōu)異的性能。其中“核殼”類催化劑分為三種類型：核殼型催化劑、yolk-shell 型催化劑和中空型催化劑；納米結(jié)構(gòu)催化劑包括納米線和納米管狀等結(jié)構(gòu)的催化劑[27]。You 等[28]采用多元醇法和電置換法制備了PdNiCu@PdIr/C催化劑，將Ni和Cu摻入催化劑核可顯著提高ORR 活性和單電池性能。分析發(fā)現(xiàn)這是由Ni和Cu原子引起Pd電子密度的變化以及底層PdNiCu 合金對(duì)PdIr 殼體的壓縮晶格應(yīng)變引起的，這種合金效應(yīng)與晶格收縮控制的協(xié)同作用為ORR非Pt催化劑的開發(fā)提供了新的方向。Li等[29]制備了碳載鉑納米線（PtNW/C）催化劑，通過(guò)電化學(xué)測(cè)試對(duì)其催化活性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示PtNW/C 催化劑具有顯著的氧還原反應(yīng)（ORR）活性。同時(shí)，加速降解測(cè)試（ADT）表明，PtNW/C催化劑比市售Pt/C有更好的耐久性。

溫度增加可以使Pt催化劑的抗CO中毒能力提高。但高溫下催化劑的降解、團(tuán)聚，碳載體的腐蝕也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。目前，大量研究證實(shí)，將Pt 與過(guò)渡金屬（Fe、Cr、Ni 等）進(jìn)行合金化可以使PEMFC催化劑有更高的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。Wei等[30]研究了Pt/Fe合金催化劑熱處理對(duì)氧還原性能的影響。采用加速老化試驗(yàn)（AAT）對(duì)各催化劑的耐腐蝕性能和燒結(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與Pt 催化劑進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)Pt/Fe 合金顆粒的團(tuán)聚速度比Pt 顆粒慢的多，并提出“錨定效應(yīng)”解釋Fe 對(duì)Pt的增強(qiáng)作用。曾敏等[31]通過(guò)乙二醇為還原劑的液相還原法和后續(xù)熱處理制備了Pt/Ir 原子比1∶1 的Pt-Ir 合金催化劑，相較于商用JM催化劑，Pt的含量減少了50%，同時(shí)電催化性能和穩(wěn)定性都有提高。原因在于Pt-Ir 合金化使催化劑顆粒的電子結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生了變化，有利于提高催化劑的催化活性。納米碳材料，包括碳納米管、介孔炭和石墨烯等，在氧還原反應(yīng)中有良好的催化活性和穩(wěn)定性[32]。Andersen 等[33]制備了一種基于多級(jí)介孔的中空碳納米纖維（mPHCNFs），并研究其在燃料電池中的催化性能。結(jié)果顯示，Pt/mPHCNFs 對(duì)氧還原反應(yīng)具有較好的電催化活性，基于Pt/mPHCNFs 的PEMFC具有411.4mW/cm2的功率密度，且在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，是常規(guī)碳載體的良好替代品。目前，通過(guò)對(duì)介孔炭的改性或者改變合成路徑來(lái)研究其負(fù)載催化劑的催化活性成為催化劑負(fù)載研究的一種趨勢(shì)[34]。

通過(guò)改進(jìn)催化劑的結(jié)構(gòu)，“核殼”類催化劑和納米結(jié)構(gòu)催化劑等新型催化劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)使催化劑的活性和穩(wěn)定性得到提高；“錨定效應(yīng)”提出將Pt 與過(guò)渡金屬（Fe、Cr、Ni 等）進(jìn)行合金化可以抑制催化劑的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高催化劑在高溫條件下的耐腐蝕性和穩(wěn)定性；采用介孔炭等納米碳材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳載體可以提高催化劑的活性與穩(wěn)定性，有望在催化劑載體等方面得到重要應(yīng)用。

2.4 雙極板

在燃料電池電堆中，雙極板主要用來(lái)分隔和分布電池間的反應(yīng)氣體，同時(shí)也起到水管理、導(dǎo)熱、集流體和機(jī)械支持的重要作用。目前應(yīng)用廣泛的雙極板包括石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。金屬雙極板相較于石墨和復(fù)合雙極板具有電子導(dǎo)電率高、良好的熱傳導(dǎo)、高力學(xué)性能、高化學(xué)穩(wěn)定性、合金組分選擇度廣等優(yōu)點(diǎn)，非常適合大規(guī)模高效生產(chǎn)。應(yīng)用于車用燃料電池時(shí)，從燃料電池高能量密度和大規(guī)模生產(chǎn)的需求方面考慮，金屬雙極板具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

不銹鋼由于其優(yōu)異的耐腐蝕性和導(dǎo)熱導(dǎo)電性，是金屬雙極板的理想選擇。然而，由于燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)，在嚴(yán)格的操作條件下不銹鋼的耐腐蝕能力仍需提高。目前，提高不銹鋼金屬雙極板耐腐蝕性的方法主要是涂層法和表面處理法。如何選擇合適的涂層或采用恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸椒?，在提高不銹鋼雙極板耐腐蝕性能與化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)又能降低接觸電阻，成為研究與開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。Madadi 等[35]選 用NiCr、NiCrBSi 和CoCrAlY 作 為 涂層制備了金屬雙極板，并對(duì)涂層進(jìn)行加速耐腐蝕性和界面接觸電阻（ICR）測(cè)試。結(jié)果顯示NiCrBSi涂層是PEMFC 金屬雙極板的優(yōu)良候選涂層。Jin等[36]通過(guò)直流磁控濺射技術(shù)，在304不銹鋼板上沉積TiN、CrN和CrN/TiN膜，并測(cè)量了它們的界面接觸電阻（ICR）和電流密度。發(fā)現(xiàn)TiN 涂層具有最低的ICR 值、最高的耐腐蝕性和最高的電流密度。Wang 等[37]通過(guò)恒電流法在316 不銹鋼上制備了TNO-PANI 復(fù)合涂層和PANI 涂層，在酸溶液中進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該涂層通過(guò)增強(qiáng)的物理阻擋作用和陽(yáng)極鈍化作用，為不銹鋼提供出色的腐蝕防護(hù)。

金屬雙極板由于其強(qiáng)度高、加工性能好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，在車用燃料電池中應(yīng)用廣泛。其中，不銹鋼材料由于價(jià)格低、耐腐蝕性好、力學(xué)性能優(yōu)異是金屬材料中的首選。但在嚴(yán)格的燃料電池環(huán)境下，金屬雙極板表面會(huì)因腐蝕導(dǎo)致電導(dǎo)率升高。通過(guò)在金屬表面鍍涂層或表面處理方法可以提高金屬材料在燃料電池環(huán)境下的耐腐蝕性和電導(dǎo)率，但同時(shí)會(huì)增加雙極板的制造成本和工藝復(fù)雜性。因此在保證金屬雙極板良好的性能下降低成本是未來(lái)雙極板需要解決的問(wèn)題。

2.5 流道結(jié)構(gòu)

高溫質(zhì)子交換膜燃料電池中幾乎不存在液態(tài)水，因此流道設(shè)計(jì)中不需考慮排水問(wèn)題，重點(diǎn)是如何將氣體分配均勻。流道結(jié)構(gòu)對(duì)于氣體的流動(dòng)有較大的影響，可以引導(dǎo)反應(yīng)氣體在其內(nèi)部流動(dòng)，確保氣體能夠均勻的分配到電極表面參與電化學(xué)反應(yīng)。不合理的流場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致氣體分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致電流密度分布不均勻，產(chǎn)生局部過(guò)熱、膜溶脹等現(xiàn)象。合理的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以使電極各處的反應(yīng)氣分布均勻，保證電池具有良好的穩(wěn)定性，提高電池的性能。目前，PEMFC 廣泛采用的流場(chǎng)以平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、交指形流場(chǎng)和網(wǎng)格型流場(chǎng)為主。

Lobato 等[38]通過(guò)電流分布測(cè)量的方法研究了四通道蛇形流場(chǎng)、網(wǎng)格形流場(chǎng)、平行流場(chǎng)和交指形流場(chǎng)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格形和蛇形流場(chǎng)獲得的電流分布圖更均勻。Chen等[39]利用COMSOL建立了一個(gè)交指形流場(chǎng)的二維模型，模擬了出口寬度對(duì)燃料電池性能的影響。結(jié)果顯示，出口寬度較窄的燃料電池性能優(yōu)于傳統(tǒng)出口寬度，氧濃度分布和電流密度分布更均勻。Taccani 等[40]研究了高溫PBI-PEM 復(fù)合雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池整體性能的影響主要考慮了三種不同的通道幾何形狀：5級(jí)蛇形通道、4 級(jí)蛇形通道和平行通道。結(jié)果表明5級(jí)蛇形通道在功率密度方面表現(xiàn)最佳，但它會(huì)造成較高的壓降；平行通道的壓降較低，但性能會(huì)隨著電流密度的增加而降低。吳禹[41]利用COMSOL建立了三種常見形式流場(chǎng)的三維穩(wěn)態(tài)單電池模型，分析了極化曲線、速度場(chǎng)分布、濃度分布、電流密度分布情況，結(jié)果顯示多流道蛇形流場(chǎng)綜合性能最佳，交匯蛇形流場(chǎng)次之而平行流場(chǎng)最差。發(fā)現(xiàn)平行流場(chǎng)出現(xiàn)較大的濃度損失是由于流道中氣體分配不均勻?qū)е碌?，需要改變流道的幾何尺寸進(jìn)行緩解；蛇形流場(chǎng)的濃度損失是由于沿程氣體的消耗造成的，通過(guò)增大進(jìn)氣量可以有效提高沿程氣體濃度，減少濃度損失。

在HT-PEMFC 中，壓降過(guò)大仍然是傳統(tǒng)的蛇形流場(chǎng)、交指形流場(chǎng)普遍存在的問(wèn)題，壓降大不僅會(huì)消耗很多的泵能，還容易引起氣體分配不均勻，造成電池性能不穩(wěn)定且壽命變短。盡可能減小壓降是流場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。平行流場(chǎng)具有流程短、壓降小的特點(diǎn)，但平行流場(chǎng)氣體流動(dòng)緩慢，會(huì)造成不同流道中氣體濃度分布不均勻，造成局部區(qū)域的供氣不足，降低電池的性能。如何加快氣體流動(dòng)和分布均勻是HT-PEMFC 流場(chǎng)的一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。傳統(tǒng)的燃料電池流場(chǎng)基本上已經(jīng)將燃料電池的性能發(fā)揮到了極致，最近，豐田公司提出了3D 流場(chǎng)的概念。該流場(chǎng)使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量，有利于引導(dǎo)氣體流向催化層，從而強(qiáng)化了氣體傳質(zhì)。

豐田Mirai 對(duì)陰極流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)了新型的3D 立體精微流道。該流道擋板為魚鱗型結(jié)構(gòu)，當(dāng)反應(yīng)氣流經(jīng)任一擋板時(shí)，會(huì)有一部分氣體被導(dǎo)入擋板下方區(qū)域，其流向偏向流場(chǎng)-氣體擴(kuò)散層界面，穿過(guò)該擋板下方未經(jīng)利用的氣體會(huì)再次經(jīng)歷此過(guò)程。該特性正是增強(qiáng)氣體對(duì)流性的有效手段。同時(shí)，通過(guò)流道內(nèi)外形狀的最佳化與流道表面的親水性，使生成的水快速?gòu)碾姌O中排出，防止由于流道堵水造成氣體流動(dòng)不暢，極大地提高了電堆的發(fā)電效率，使整個(gè)電堆的功率密度達(dá)到3.1kW/L[42]。Yan等[43]設(shè)計(jì)制造了兩種具有3D通道的流場(chǎng)（波浪形通道和梯度3D通道），波浪形通道極大地增強(qiáng)了從流道到催化層的氧氣供應(yīng)，減小了濃差極化；梯度3D 通道能夠克服下游嚴(yán)重注水和缺氧現(xiàn)象，電流密度分布更均勻。二者均能提高燃料電池的性能，且在高電流密度下性能提高更加明顯。

在傳統(tǒng)流場(chǎng)中，蛇形流場(chǎng)和交指形流場(chǎng)的壓降過(guò)大，氣體分布不均勻；平行流場(chǎng)氣體流動(dòng)緩慢，會(huì)造成氣體供應(yīng)不足，降低燃料電池的性能。傳統(tǒng)形式的流場(chǎng)都存在著不同形式的問(wèn)題，新型流場(chǎng)的研究引起了人們的關(guān)注。豐田Mirai應(yīng)用的3D流場(chǎng)已經(jīng)獲得成功，將會(huì)成為未來(lái)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.6 進(jìn)氣方式

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)的性能與電堆的氣管理密切相關(guān)。對(duì)于車用燃料電池堆，如果進(jìn)氣不均勻，將導(dǎo)致整個(gè)電池堆的電流密度、功率密度和發(fā)熱量分布不均勻，產(chǎn)生局部失水、過(guò)熱等現(xiàn)象，降低燃料電池性能。對(duì)于一般的燃料電池系統(tǒng)而言，陰極氣體流量大，并且進(jìn)氣為空氣，相對(duì)于陽(yáng)極所進(jìn)氫氣而言不均勻程度更為嚴(yán)重。

覃有為等[44]對(duì)4 種傳統(tǒng)的陰極進(jìn)氣方式（Z 形進(jìn)氣、U 形進(jìn)氣、兩個(gè)中間入口和兩個(gè)兩邊入口）進(jìn)行了模擬，如圖2所示。結(jié)果顯示采用兩頭雙進(jìn)口進(jìn)氣的布置方案可以使電堆內(nèi)的氣體不均勻性得到改善，單片電池質(zhì)量流量的差異在30%以內(nèi)。

圖2 進(jìn)氣方式簡(jiǎn)圖［44］

Zhong 等[45]對(duì)平行陽(yáng)極流場(chǎng)設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，如圖3 所示。(b)方案中進(jìn)氣槽的寬度從2mm 到4mm 線性變化，(c)方案進(jìn)氣槽的寬度從4mm線性變化到2mm。通過(guò)CFD模擬分析了3種方案的氫分布及電流密度分布，結(jié)果顯示(c)方案的電流分布最均勻，在燃料饑餓時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以提高PEMFC的性能。

王世學(xué)等[46]提出了一種主副流道分流式的陰極進(jìn)氣加濕方式，如圖4所示。該方式利用一條副流道將一部分未加濕的陰極反應(yīng)氣體直接引入陰極流道上的某個(gè)位置，另一部分氣體經(jīng)充分加濕后通入陰極流道入口。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用分流式進(jìn)氣可以避免前期膜發(fā)生干涸現(xiàn)象同時(shí)降低后期發(fā)生水淹的危險(xiǎn)性。

圖3 平行流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖［45］

圖4 分流式進(jìn)氣方式［46］

除了進(jìn)氣方式外，反應(yīng)氣體的參數(shù)對(duì)流場(chǎng)性能也會(huì)產(chǎn)生影響。陳士忠等[47]研究了不同進(jìn)氣速度下對(duì)交指流場(chǎng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)提高反應(yīng)氣體進(jìn)入流道的速度，可以改善流道中反應(yīng)氣體濃度分布，使反應(yīng)氣體更加均勻地分散在流道中。劉永峰等[48]研究了進(jìn)氣溫度對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，通過(guò)改變陰極和陽(yáng)極側(cè)進(jìn)氣溫度來(lái)對(duì)一個(gè)由十片單電池組成的電堆進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：在進(jìn)氣壓力和工作溫度一定的情況下，電堆性能隨著進(jìn)氣溫度的提高會(huì)得到改善。林煌[49]研究了進(jìn)排氣管道直徑對(duì)電池堆性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)排氣管道直徑的增大可以使氣體在管道中的壓降減小，在不同的電池堆工況下，可以通過(guò)匹配最佳的進(jìn)排氣管道直徑來(lái)改善流體的不均勻。

流場(chǎng)內(nèi)氣體分布的均勻性與進(jìn)氣方式密切相關(guān)，同時(shí)氣體分布的均勻性決定著電流密度的均勻性。好的進(jìn)氣方式可以使整個(gè)電堆的功率密度、發(fā)熱量和電流密度分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部氣體“饑餓”現(xiàn)象。因此，未來(lái)進(jìn)氣方式的改進(jìn)方向應(yīng)加強(qiáng)流場(chǎng)內(nèi)氣體分布的均勻性，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣的溫度、速度、管道直徑等參數(shù)來(lái)改善流體的不均勻性。

2.7 加濕方式

質(zhì)子交換膜的穩(wěn)定工作需要保持足夠的水分，特別是在高溫條件下，依靠陰極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水僅能提供質(zhì)子交換膜所需的部分水分，其余部分則需要通過(guò)進(jìn)氣加濕進(jìn)行補(bǔ)充。在高溫條件下，進(jìn)氣濕度對(duì)燃料電池的性能起著重要作用，濕度減小會(huì)抑制電極動(dòng)力學(xué)，包括電極反應(yīng)和質(zhì)量擴(kuò)散速率，以及膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，導(dǎo)致燃料電池性能的顯著降低。

Tabbi 等[50]研究了燃料加濕對(duì)提高燃料電池性能的重要性，不同加濕程度的燃料電池性能都由于使用干氫氣的燃料電池，并且進(jìn)氣濕度為100%的燃料電池性能要由于進(jìn)氣濕度為50%的燃料電池。Zhang 等[51]研究了采用基于Nafion 的MEA 的環(huán)境背壓下入口相對(duì)濕度（RH）對(duì)高溫PEM 燃料電池性能的影響。結(jié)果表明，將相對(duì)濕度從100%降低到25%，可顯著降低燃料電池的性能。例如，當(dāng)RH從100%變?yōu)?5%時(shí)，最大MEA 功率密度從0.57 W/cm2下降到0.14W/cm2。同時(shí)采用交流阻抗法和循環(huán)伏安法研究了RH對(duì)燃料電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。發(fā)現(xiàn)降低相對(duì)濕度也會(huì)降低膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移電導(dǎo)率。導(dǎo)致燃料電池性能急劇下降。Song等[52]在80～120℃溫度范圍、相對(duì)濕度分別為25%、50%、75%和100%的情況下，測(cè)試了一種基于Nafion 211 膜的PEM 燃料電池。當(dāng)電池在較低濕度下工作時(shí)，極化曲線上出現(xiàn)了電壓跳變。這種現(xiàn)象可能是由于負(fù)極水向膜回流擴(kuò)散，導(dǎo)致膜內(nèi)水分分布不均勻。

為了提高燃料電池的輸出功率，通常對(duì)電池的反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)加濕。但如果反應(yīng)氣體的含水量過(guò)多，也會(huì)影響質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的性能。因此，采用合理的加濕方式使加濕效果達(dá)到最佳是提高燃料電池堆性能的關(guān)鍵。目前常用的加濕方式包括外部加濕法、內(nèi)部加濕法、自增濕法等。三種加濕技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，其中，由于自增濕技術(shù)沒(méi)有龐大的外部輔助增濕設(shè)備，簡(jiǎn)化了電堆系統(tǒng)同時(shí)也降低了制造成本，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

Jung等[53]研制了一種使用注射器的密封氣體加濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)由注射器、雙焓混合器和水管理裝置組成。研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的加濕性能受到注水溫度和氣體流量的影響，加濕氣體的露點(diǎn)隨注水溫度的升高而升高，隨氣體流量的增加而降低。Ahmaditaba 等[54]設(shè)計(jì)了一種鼓泡加濕器，并研究了水溫、水位和進(jìn)氣流量對(duì)加濕性能的影響。結(jié)果表明水溫和水位的升高可以改善加濕器性能，而進(jìn)氣流量的降價(jià)會(huì)降低加濕器的性能。侯三英[55]分別采用親水性的瓊脂糖（ME）、高分子聚合物微晶纖維素（MCC）作為親水劑，將其添加在陽(yáng)極催化層中制備自增濕膜電極。提高了催化層的潤(rùn)濕程度，使這種自增濕膜電極在高溫低濕度下具有良好的性能。Cha 等[56]對(duì)帶有短 側(cè)鏈（SSC） 和 長(zhǎng)側(cè)鏈（LSC）膜的自加濕PEMFC 的性能進(jìn)行了評(píng)估，SSC膜的功率密度高于LSC膜。該復(fù)合膜既保持了短鏈樹脂在低濕條件下優(yōu)異的保水性能，又提高了其物理穩(wěn)定性，是在高溫低濕條件下非常有潛力的自增濕質(zhì)子交換膜材料。

保持質(zhì)子交換膜足夠的水分是燃料電池正常運(yùn)行的前提。在過(guò)去，由于燃料電池技術(shù)尚不成熟，燃料電池的電流密度較低，產(chǎn)生的水量不足以維持膜正常運(yùn)行，通常采用內(nèi)外加濕的方法來(lái)維持膜的濕度。如今，由于燃料電池電堆功率密度的大幅提高，電堆內(nèi)部產(chǎn)生的水足夠用來(lái)濕潤(rùn)膜電極。豐田Mirai 采用了氫氣循環(huán)泵，使用加濕后的氫氣循環(huán)來(lái)對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行加濕，取消了加濕器，極大地簡(jiǎn)化了電堆的復(fù)雜性。這種方法的原理與自增濕方式相同，由此可見，自增濕技術(shù)將成為未來(lái)的加濕方式的主流方向。

2.8 冷啟動(dòng)

冷啟動(dòng)問(wèn)題是決定燃料電池車能否在高寒地區(qū)應(yīng)用的重要技術(shù)瓶頸。為了保持膜良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，膜中的水量必須保持在一定水平。然而，當(dāng)電池溫度降低到冰點(diǎn)以下，催化劑、氣體擴(kuò)散層和膜中的水可能會(huì)凍結(jié)，阻止氣體無(wú)法發(fā)生反應(yīng)，嚴(yán)重的會(huì)造成膜穿孔等問(wèn)題[57]。因此需要能夠在低于冰點(diǎn)溫度時(shí)沒(méi)有或輕微性能降低的燃料電池啟動(dòng)方法。對(duì)于高溫燃料電池來(lái)說(shuō)，如何把溫度快速提高到工作溫度是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。豐田分別于2009 年和2016 年推出的FCHV-adv 車型和Mirai 車型，冷啟動(dòng)溫度可達(dá)到-30℃，啟動(dòng)時(shí)間為30 s，能夠承受最低在-37℃下工作，是當(dāng)前車用燃料電池冷啟動(dòng)性能的最高水平。

現(xiàn)有的PEMFC 冷啟動(dòng)方法分為低溫儲(chǔ)存、氫氧催化反應(yīng)加熱及外部輔助熱源加熱等，其中低溫儲(chǔ)存主要包括電池保溫和停機(jī)除水。李友才[58]建立了10kW燃料電池電堆有限元的仿真模型，研究保溫措施對(duì)燃料電池冷啟動(dòng)的影響。發(fā)現(xiàn)在-20℃環(huán)境下使用20mm 的聚苯乙烯和真空絕緣板進(jìn)行保溫，電堆溫度從80℃降低到0 的時(shí)間延長(zhǎng)到26.3h和34.8h，可以滿足正常運(yùn)行的要求。許澎等[59]研究了停機(jī)除水對(duì)低溫冷啟動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明，停機(jī)除水可以降低PEMFC 的初始水量，有利于提高啟動(dòng)性能；相比于單側(cè)氣體吹掃，氫氣和空氣同時(shí)吹掃是最優(yōu)的氣體吹掃除水方式。Knorr等[60]研究了甲醇作為燃料電池防凍劑的可行性，將甲醇凍融（F/T）循環(huán)試驗(yàn)與常規(guī)電池凍融（F/T）循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)甲醇作為防凍劑可以有效防止冷啟動(dòng)過(guò)程中的性能下降。Luo 等[61]研究了氫氧催化反應(yīng)輔助加熱冷啟動(dòng)PEMFC。結(jié)果顯示，在最大功率模式下，陽(yáng)極催化反應(yīng)輔助可以使燃料電池在13s內(nèi)從-25℃成功冷啟動(dòng)。Li等[62]提出了一種局部加熱的方法來(lái)提高燃料電池的冷啟動(dòng)性能。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)將加熱絲放置在陰極板下來(lái)改善冷啟動(dòng)性能。結(jié)果表明，局部加熱陰極可以改善燃料電池的冷啟動(dòng)性能，提高冷啟動(dòng)期間的電壓穩(wěn)定性。

目前PEMFC 冷啟動(dòng)主要有氣體吹掃、氫氧催化反應(yīng)、輔助熱源加熱等方法，基本能實(shí)現(xiàn)PEMFC 在-30℃成功冷啟動(dòng)。然而在更低的溫度下，目前的各種冷啟動(dòng)方法都難以成功冷啟動(dòng)。針對(duì)于更加惡劣的環(huán)境，人們正在研究在-40℃環(huán)境下成功冷啟動(dòng)的策略。

3 結(jié)語(yǔ)

自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，車用燃料電池在功率密度、電極材料與車輛示范運(yùn)行方面均實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。為提高燃料電池的比功率密度和性能，國(guó)內(nèi)外車企都在大幅提高燃料電池的電流密度和工作溫度。與此同時(shí)，對(duì)燃料電池水熱管理、材料性能、電池結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。本文從膜電極、雙極板、流道結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣方式、加濕方式、冷啟動(dòng)等方面，結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)燃料電池車的示范運(yùn)行和高溫車用燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。指出摻雜SiO2等親水性氧化物能夠改善Nafion膜的高溫性能；改進(jìn)催化劑的結(jié)構(gòu)、將Pt 與過(guò)渡金屬（Fe、Cr、Ni 等）進(jìn)行合金化、采用介孔炭代替?zhèn)鹘y(tǒng)炭載體可以提高催化劑的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性；不銹鋼金屬雙極板具有良好的耐腐蝕性，應(yīng)用于車用燃料電池具有明顯優(yōu)勢(shì)；3D 流場(chǎng)等新型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠加快氣體流動(dòng)且分布更為均勻；改進(jìn)進(jìn)氣方式，提高進(jìn)氣溫度、速度可以提高氣體分布的均勻性；加濕方式中自增濕方式能夠簡(jiǎn)化電堆結(jié)構(gòu)，成為研究熱點(diǎn)。目前人們已經(jīng)掌握了-30℃冷啟動(dòng)技術(shù)，但更低溫度下的冷啟動(dòng)策略還在研究當(dāng)中。

燃料電池的商業(yè)化仍然面臨著諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，壽命與成本的技術(shù)瓶頸仍然存在。雖然實(shí)現(xiàn)燃料電池車的大規(guī)模商業(yè)化還需要解決一些瓶頸問(wèn)題，但相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，燃料電池將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展與重視。