新型质子转移界面可提升燃料电池性能，同时减少铂用量。

中国科学家团队开发出一种新型质子交换膜（PEM）燃料电池，其输出功率是传统设计的四倍。这一进展有望提升氢能系统在车辆和航空航天应用中的实用性。

这项进展解决了氢燃料电池中的一个重大挑战，即质子穿过负责发电的催化层的速率。研究人员设计了一种新型材料界面，可在电池内促进更高效的质子传输。

北京理工大学（BIT）助理教授、该研究共同作者李杰表示，这项新技术使“燃料电池汽车的动力电堆可以做得更小、更轻，车辆可以获得更强的持续输出和更长的续航里程”。

为质子提供更快的路径

质子交换膜燃料电池通常在140至176华氏度（约60至80摄氏度）的温度下运行，并将氢气储存能量的大约50%至60%转化为电能。

在电池内，氢分子在阳极释放电子和质子。质子穿过电解质膜迁移，而电子通过外电路流动以发电。在阴极，质子和电子与氧结合生成水。

催化层长期以来一直是挑战所在。Nafion 等材料可在纳米尺度上密集包裹催化剂，阻碍质子快速传输到反应位点。

北理工团队开发了一种布朗斯特酸-路易斯碱界面，为质子转移提供额外位点。实验结果显示，质子扩散提升至原来的十倍，质子电导率提升至原来的6.5倍。活化能降低了一半以上。

功率提高四倍

在标准运行条件下，新型燃料电池在0.7伏下达到每平方厘米0.75瓦，约为传统设计输出功率的四倍。

该系统还展现出每克铂6.9千瓦的性能，鉴于铂作为燃料电池催化剂成本高昂，这是一项重要指标。经过3万次加速应力测试循环后，新系统保持了初始峰值功率的63%，而传统系统在相同条件下仅保持30%。

研究人员表示，这种复合材料可以以实用规模生产。李杰表示：“目前在实验室里，他们三天可以制造约100克。这足以用于10个100千瓦级电堆。”

道路车辆之外的可能性

在重量、空间限制和功率密度是关键考虑因素的应用中，这项技术可能具有优势。研究人员强调了其与使用液氧的航空航天系统的相关性，在这些系统中，高效质子传输可显著影响燃料电池的整体性能。

李杰说：“我们的技术解决了如何在更小的电堆体积内以更高效率和更高功率密度发电的问题。这符合航空航天能源系统的需求。”

这一进展正值中国氢能产业扩张之际。到2025年底，中国制氢产能超过每年5100万吨。中国还占利用电解的可再生能源制氢项目的53%。

规模化仍是下一项考验

到2025年底，中国约有3.2万辆燃料电池汽车投入运营。2026年3月，三个中央政府部委设定了到2030年达到10万辆燃料电池汽车的目标，并主张将氢价降至每公斤25元人民币（约3.50美元）以下。

这项新技术仍需证明，它能够在工业规模上以经济高效的方式制造，同时保持长期安全性和可靠性。

李杰说：“燃料电池汽车不需要复制纯电动汽车。纯电动汽车适合短途出行。燃料电池适合重型卡车、长途运输，以及需要快速加注和长续航的场景。”

她补充说：“接下来，团队将为不同场景构建并测试高性能燃料电池电堆。我们还将扩大相关材料和技术的规模，并将其转化为现实产品。”

该团队在《科学》期刊上发表了他们的研究结果。

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