氫燃料電池技術（PEMFC）被譽為清潔能源領域的"明日之星"，在交通、發電、儲能等領域展現出廣闊的應用前景。

然而，受制于高昂的成本，該技術目前仍難以與傳統內燃機和鋰離子電池形成有效競爭。其中，催化劑（含鉑等貴金屬）和質子交換膜是推高成本的主要因素。

美國能源部的數據顯示，在為重型運輸設備設計的燃料電池中，催化劑和質子交換膜共同占到了成本的70%，其中催化劑占到59%，質子交換膜占到11%。

針對這一瓶頸問題，挪威研究人員近期取得突破性進展，通過創新這兩大核心部件顯著提升了燃料電池的成本競爭力。

挪威SINTEF氫能實驗室的研究人員在一份新聞稿中表示：“我們已經開發出了一種新型質子交換膜，這種膜非常輕薄，相比之下A4紙（100微米）摸起來都像厚紙板一樣。”

實驗室開發出的交換膜原型厚度僅為10微米（10μm），比現行標準15微米（15μm）減少了33%。研究人員表示，僅此一項突破即可將膜成本降低高達20%。

這項創新技術有望大幅降低燃料電池的成本和對環境的影響，研究成果發表在《電化學學會雜志》上。

除了膜技術的創新外，研究團隊還成功將催化劑中鉑的含量降低了約62.5%，具有極大成本優勢。

質子交換膜（PEM）和催化劑作為氫燃料電池（PEMFC）的兩大核心組件，共同決定著能量轉換效率和整體性能。

圖說：氫燃料電池結構

來源：MDPI

質子交換膜（PEM）的主要功能是傳導質子以及隔離陰極、陽極反應物。

膜厚度是影響質子傳輸阻力和氫穿透的重要參數。通常，質子傳輸阻力會隨著膜厚度的減小而降低，從而提高燃料電池性能。

然而，較薄的膜又會導致反應氣體的穿透通量增加，從而導致功率損失和燃料損失，造成燃料電池的耐久性降低。

因此，在設計膜電極組件時，了解膜厚度、成本、性能和耐久性之間的權衡是一個重要的考慮因素。

催化劑也是決定燃料電池性能和成本的關鍵部件。催化劑由無數鉑（Pt）粒子組成，每個鉑粒子就像一個微型反應器，將氫氣轉化為電能。反應器越多，發電量就越大。

但昂貴的材料也增加了成本。鉑金屬是地球上最昂貴、最稀有的礦物之一，歐盟已將鉑金列為關鍵原材料。

為了與目前的低成本內燃機競爭，有人假設燃料電池組的鉑負載量必須低于0.15 g Pt kW -1。而降低鉑催化劑負載量需要清楚了解鉑負載量對燃料電池性能和耐久性的影響。

在陽極，鉑負載量可降低至0.05–0.10毫克/平方厘米，而不會導致明顯的電壓損失，因為Pt對氫氣的電氧化具有很高的催化活性。

然而，陰極的氧還原反應 (ORR) 動力學則比陽極反應慢了約5個數量級。這對于在不影響性能的情況下達到商業鉑負載量目標構成了重大技術障礙。

“因此，在材料用量和性能之間找到最佳平衡至關重要。在這項研究項目中，我們找到了一種配置反應堆的方法，使其能夠提供足夠的能量來運行燃料電池，同時大幅減少所需的材料用量。”SINTEF的研究員帕特里克·福廷 (Patrick Fortin) 說道。

圖說：新型超薄質子交換膜

來源：SINTEF

研究人員報告了對三種膜電極組件的全面研究，以比較膜厚度和陰極催化劑負載對燃料電池性能的影響。

這三種膜電極組件的配置分別為：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。

研究人員在相同的催化劑負載水平下，將膜厚度從15μm減少到10μm，結果發現，這一改變并未顯著影響燃料電池性能。

實驗發現15μm和10μm膜的歐姆電阻相似，這表明當質子交換膜的厚度減小到15μm以下時，質子傳輸將主要受表面介導效應而非本體離子傳輸效應的影響。

“在測試過程中，我們注意到體積電阻在15μm以下變得可以忽略不計，并且性能僅由界面電阻決定，對于兩種膜而言，界面電阻是相同的，”SINTEF研究員Patrick Fortin解釋道。

研究人員的計算表明，僅此一項突破即可將膜成本降低高達20%，并將有害氟化聚合物（PFAS）的含量降低33%。

氟化聚合物的生產、降解和處置會導致有害化合物的釋放，從而造成嚴重的健康和環境問題，因此被歐盟視為具有日益增加的化學風險。

除了膜技術的進步外，與當前的燃料電池相比，研究團隊還成功將催化劑中鉑的含量降低了62.5%。

研究人員在排列無數微小鉑反應堆粒子時找到了最佳平衡，從而可以在大幅減少材料需求的情況下產生足夠的電力。

“減少燃料電池中的鉑含量，不僅有助于降低成本，還有助于應對重要原材料供應和可持續性方面的全球挑戰。”Fortin 表示。 

圖說：研究員帕特里克·福廷（Patrick Fortin）展示新型超薄膜

來源：SINTEF

這種雙管齊下的材料減少方法對于減少溫室氣體排放具有巨大的潛力，特別是在重型運輸、海運業以及長期的航空業。

這項研究是歐盟資助的CAMELOT項目的一部分，該項目旨在更好地了解限制當前質子交換膜（PEM）燃料電池性能的因素。

SINTEF的研究人員已與催化劑制造商莊信萬豐（Johnson Matthey）以及燃料電池制造商PowerCell達成合作。

莊信萬豐已生產出面積為300平方厘米的催化劑涂層膜，并在PowerCell設計的用于長途運輸的PEM燃料電池中進行了測試。

測試表明，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電池汽車中實現商業化應用。

“如果這些創新付諸實踐，我們的研究將有助于使未來的清潔能源技術（如強大的PEM燃料電池）更便宜、更可持續。”Fortin總結道。