现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 12-16. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.003

专论与评述

质子交换膜燃料电池发展瓶颈及未来展望

苗蓓 ¹^,^* ,
张音 ² ,
胡文杰 ¹ ,
张清珍 ¹

作者信息 +

Research progress and future prospects of proton exchange membrane fuel cell

MIAO Bei ¹^,^* ,
ZHANG Yin ² ,
HU Wen-jie ¹ ,
ZHANG Qing-zhen ¹

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-08-29		2026-04-20
Issue Date	Revised Date
2026-04-16	2025-08-29

PDF (1690K)

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池的核心技术,凭借其效率高、排放少、性能稳等特性,成为全球能源转型的重要方向。系统梳理了PEMFC的应用现状,深入分析了其在燃料、成本、耐久性等方面面临的瓶颈问题,并结合技术突破方向、应用拓展、政策导向等,对PEMFC未来发展路径提出展望。分析表明,通过研发创新、系统优化、产业协同等,PEMFC有望在现有应用领域实现市场规模增长,并在更多领域实现应用突破,从而为碳中和目标达成与能源转型提供有力支撑。

Abstract

As the core technology of fuel cell,proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has become a crucial direction for the global energy transition,thanks to its characteristics of high efficiency,low emissions,and stable performance.This paper systematically sorts out the current application status of PEMFC.It conducts an in-depth analysis of the bottleneck issues faced by PEMFC in terms of fuel,cost,and durability.Furthermore,by integrating aspects like technological breakthrough directions,application expansion,and policy orientations,the paper puts forward prospects for the future development of PEMFC.The analysis shows that through R&D innovation,system optimization,and industrial collaboration,PEMFC are expected to achieve market scale growth in existing application fields and realize application breakthroughs in more areas,thereby providing strong support for the achievement of carbon neutrality goals and energy transition.

Graphical abstract

关键词

质子交换膜燃料电池 / 未来展望 / 瓶颈问题 / 应用现状

Key words

proton exchange membrane fuel cell / future prospects / bottleneck issues / current application status

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苗蓓,张音,胡文杰,张清珍. 质子交换膜燃料电池发展瓶颈及未来展望[J]. , 2026, 46(4): 12-16 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.003

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传统化石能源的大量消耗,不仅加剧了能源供应的不确定性,还对生态环境造成严重破坏。开发高效、清洁的新能源技术已成为全球共识。燃料电池作为一种将化学能直接转化为电能的发电装置,其能量转化率可达40%~60%^[1],远高于传统内燃机的30%,因此成为了各国科研与产业界在能源转型领域的核心关注技术。按照电解质类型划分,燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等^[2-3]。其中,PEMFC因效率高、排放少、运行稳、启动快、噪音低等优势,被认为是最具应用前景的燃料电池^[4]。经过多年研究与发展,PEMFC在交通运输、固定式电源等领域的使用得到一定程度推广,但其大规模商业化应用一直受限于燃料、成本、耐久性等瓶颈问题。因此,综述PEMFC的应用现状,剖析其商业化推广所面临的瓶颈问题,并对未来发展趋势进行展望,对推动PEMFC技术进步和产业发展具有重要意义。

1 PEMFC工作原理

PEMFC主要由质子交换膜、催化剂、气体扩散层电极、双极板等关键部件组成,其工作原理是氢气与氧气发生化学反应生成水并释放电能,工作原理示意图见图1^[5]。其中,氢气通过气体扩散层电极到达阳极催化剂,在催化剂作用下发生解离生成质子H⁺和电子e^-。质子H⁺通过质子交换膜传导至阴极催化剂,电子e^-则经由外电路形成电流,从而为负载供电。与此同时,氧气通过气体扩散层电极到达阴极催化剂,并在此与阳极而来的质子H⁺、外电路回流的电子e^-发生反应生成水。整个电化学反应过程可表述为:

阳极反应:

$\mathrm{H}_{2} \longrightarrow 2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-}$

阴极反应:

$1 / 2 \mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

总反应:

$\mathrm{H}_{2}+1 / 2 \mathrm{O}_{2} \longrightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

基于PEMFC的工作原理可以看出,相较于传统能源技术以及其他类型的燃料电池,PEMFC具有显著优势:排放物仅为水,无碳氧化物、氮氧化物等污染物,完全契合绿色低碳发展理念;能量转换效率高,理想状态下可达40%~60%,远超传统内燃机;运行温度低(通常为60~80℃),既便于快速启动,又降低对材料耐高温性能的要求,间接降低成本;同时具备功率密度高、噪音低、模块化设计易维护等特点。

2 PEMFC应用现状

2.1 市场情况

PEMFC作为氢能终端利用的重要技术,近年来全球和国内的市场规模呈现出持续增长的良好态势。据公开数据显示,2023年全球PEMFC市场规模为59.1亿元人民币,2024年为185.51亿元人民币。预计到2030年,全球市场规模将飙升至 1 439.08亿元,以40.7%的复合年增长率迅猛增长。得益于政府政策支持、贵金属替代催化剂成功开发、产业协同等因素,国内PEMFC市场规模呈现出强劲增长势头与巨大发展潜力。根据中国产业研究院发布的《2025—2030年质子交换膜燃料电池行业市场需求与未来发展趋势》的统计,2020—2024年间国内PEMFC市场全球领跑,五年间市场规模从27亿元人民币跃升至86亿元人民币,年增长率高达25%。

从全球市场布局看,亚太地区以43%的市场份额占据主导,北美(32%)、欧洲(20%)紧随其后。值得关注的是,中国作为亚太地区核心市场,在“双碳”政策推动下,2025年PEMFC市场渗透率预计突破15%。国内市场呈现“东部领跑、中西部追赶”格局:长三角、珠三角等东部沿海地区凭借产业链优势,占据全国70%以上市场份额;成渝、武汉等中西部地区通过“税收优惠+土地支持”政策吸引企业入驻,实现年产值快速增长。

2.2 应用领域

应用领域方面,PEMFC呈现出“交通运输主导、多元应用崛起”的应用布局。交通运输是PEMFC的主要应用方向,占据约65%的市场份额,包括乘用车、商用车、公交车、船舶等。固定式发电和便携式电源合计占据约20%的市场份额,主要包括数据中心备用电源、通信基站和分布式能源系统等。军事作为新兴领域,其对于PEMFC的应用逐步崛起,预计2030年市场份额将提升至15%。随着技术的不断进步和成本的逐步降低,PEMFC在更多领域的应用前景愈发广阔。

交通运输领域,PEMFC不仅可实现“氢-电”转换,还因其电解质无腐蚀性的优势成为燃料电池汽车的主流技术^[6]。丰田Mirai是丰田旗下首款量产PEMFC汽车,根据丰田Mirai销售官网数据显示,Mirai的最大续航里程可达781 km,加氢时间可缩短至3 min,弥补了纯电动车续航短、充电慢的短板。国内上汽集团已完成前后共4代氢燃料电池乘用车的开发,并在荣威950车型上进行了规模化验证。城市公交车行驶路线固定,便于集中建设加氢站,适合规模化应用。2022年北京冬奥会期间,北京市政府主导示范运行了超过1 000辆氢燃料电池汽车,是全球最大规模的氢燃料电池汽车示范^[7]。顺丰、京东等物流配送量较大的快递运输站,也试点配备了PEMFC物流车。此外,PEMFC可解决内河、沿海、旅游景区航运的排放物污染问题,国内西湖、洱海已试点PEMFC观光游船。

固定电源领域,PEMFC的启动时间可缩短至10s以内,其响应快、稳定性好的优势可大大弥补柴油发电机启动慢、噪音大、污染高的劣势。将其应用于备用电源方面,可降低医院、通信基站、数据中心、金融机构等对供电连续性要求极高的场所,从而避免紧急断电对生命安全和经济损失造成的危险。2023年,国内某大型数据中心试点投用了1 MW级PEMFC备用电源系统,本次试用表明该PEMFC备用电源可在电网中断时无缝切换供电主体,且连续稳定供电时长达72 h。在无电网覆盖的山区通信基站、极地科考站、边防哨所、偏远海岛等离网场景中,PEMFC可通过电解水或与光伏、风电等结合的方式实现现场制氢,从而确保离网模式下供电的稳定性和长期性。例如,我国西藏某边防哨所采用“光伏+PEMFC”离网系统,日均供电120 kWh,极端天气下连续供电能力超15 d,彻底解决了此前冬季供电难的难题。

便携式电源领域,针对需长时间在野外工作的笔记本电脑、露营设备、便携式测量仪器等,该类设备需要持续稳定的电源支持。传统的锂电池容量有限,续航时间短,且充电不便,而PEMFC便携式电源加氢10 min即可支持数天使用,续航时间大大延长。目前三星、松下等企业已推出PEMFC相关原型产品,正逐步突破成本与安全性瓶颈。当地震、洪水等自然灾害发生时,往往会导致电力中断,应急救援所需要的应急通讯设备、照明设备、医疗急救设备等需要稳定、可靠的电源。PEMFC便携式电源不受电网限制,可以快速部署,为上述设备提供稳定的电力,保障救援工作顺利进行。

军事领域,PEMFC用于潜艇动力时,不仅能克服内燃机发电机无法避免的声波、红外、电磁等强特征信号辐射,还具有噪声低、零排放等优点,对提高潜艇隐蔽性、灵活性、操作性具有重要意义。2003年,德国212A型U31潜艇问世,这是世界上第一艘现代化的PEMFC潜艇。该潜艇投资额高达27.6亿元,采用燃料电池和柴-电动力系统组成的混合动力系统,配备PEMFC模块9个。经试航,该潜艇在燃料电池提供动力驱动时,可在水下连续潜行3 W。上述时长首次实现了非核能动力潜艇能长期或至少一半出航时间保持潜航状态,属于潜艇发展史上的里程碑节点。士兵在野外执行任务时需要携带野战通讯电台、夜视仪等各种电子设备,这些设备对电源的重量、续航能力和可靠性都有较高要求。PEMFC重量轻、体积小,能量密度高,能够满足复杂环境下的用电需求,同时其低噪音、低红外特征的特点,也有利于提高军事行动的隐蔽性。

3 PEMFC发展瓶颈

3.1 燃料问题

3.1.1 燃料生产

氢气作为PEMFC的核心燃料,其生产结构存在显著短板。目前,氢气制取方法主要有化石燃料重整制氢、水电解制氢、生物质制氢、可再生能源制氢等^[8]。其中,以化石燃料重整制氢为主要途径,大约占全球氢气产量的95%。该途径在制氢过程中会产生大量污染物,与PEMFC“零排放”的环保定位相悖。水电解制氢、生物质制氢虽符合绿色化学的理念,但制氢成本居高不下,且严重依赖于风电、光伏等不稳定的可再生能源,导致生产能力受限,难以满足规模化应用需求。此外,氢气的生产还受限于化石燃料价格市场波动、电解水设备、微生物种类、氢气分离提纯等多种因素的影响,这也增加了燃料生产能力的不确定性。

3.1.2 燃料存储

氢气是自然界中最轻的气体,能量密度极低,必须通过高压压缩或低温液化才能实现有效存储。目前,氢气的储存方式主要有高压气态存储、低温液态存储、有机液体存储、固态存储等^[9]。高压气态存储需要特制的碳纤维储氢罐,不仅重量大、成本高,还存在极大的安全隐患。高压状态下,氢脆容易使储氢罐发生腐蚀,长期使用可能导致泄漏或破裂。低温液态存储虽能提高密度,但液化过程需消耗大量能量,且维持低温环境的保温设备复杂,进一步提高了存储成本。此外,为确保安全,氢气的存储需配备一系列辅助设备用于存储安全监测,这些辅助设备的投资、运行、维护、折旧等都会增加燃料的存储负担。

3.1.3 燃料运输

燃料运输的基础设施短板同样突出。氢气的运输方式主要包括高压气态长管拖车、液态槽车、管道运输等。高压气态运输效率极低,一辆长管拖车仅能运输约300 kg氢气,且运输过程能耗高、成本高。液态运输虽单次运量大,但液化环节的高能耗抵消了其优势。管道运输是最经济的大规模运输方式,包括输送气态氢和输送液态氢基能源(如液氨或甲醇等)^[10]。但全球现存的氢气管道不足1万km,远低于天然气管道的数百万公里,且现有天然气管网改造为输氢管道将会面临管道腐蚀、密封件老化等多重技术难题,建设新管道则需要巨额投资和漫长周期,短期内难以形成覆盖广泛的运输网络。

3.2 成本问题

3.2.1 催化剂成本

催化剂成本在PEMFC总成本中占比可达20%~40%,成为PEMFC控制商业化成本的关键因素。从PEMFC工作原理可以看出,阴极为氧还原反应(ORR)。受限于氧气本身的化学稳定性,该阴极反应动力学缓慢,需要借助高效催化剂来加速反应^[11]。目前,研究学者普遍认为Pt/C是最佳催化剂,其在PEMFC应用中表现出较高的催化活性^[12]。然而,一方面,贵金属Pt本身资源稀缺、价格昂贵;另一方面,在PEMFC启动、停止等工况波动时,载体C容易发生腐蚀、颗粒团聚等现象^[13],该现象使得Pt遭受不可逆失活,从而催化活性严重衰减。为弥补失活导致的催化活性衰减,需提高Pt/C的Pt负载量,进一步增加了催化剂成本。为降低催化剂成本,大量学者致力于高活性或低负载量Pt/C催化剂的开发,如纳米结构优化设计的Pt/C催化剂^[14]、配位工程调控的Pt-M/C(M=Ni、Co、Fe等)合金催化剂^[15]等。鉴于催化剂合成工艺复杂,催化剂颗粒尺寸和合金的有序化程度难以有效控制,开发高活性、低成本的Pt/C催化剂急需进一步深入研究。

3.2.2 膜材料成本

质子交换膜是PEMFC的核心部件之一,其性能直接影响PEMFC的性能和寿命。目前,商业化的质子交换膜以全氟磺酸膜为主,包括杜邦公司的Nafion系列膜、3M公司的3M膜、旭化成公司的Aciplex膜、陶氏化学公司的Dow膜、苏威Aquivion膜、旭硝子Flemion膜等。全氟磺酸膜具有质子传导电阻小、化学稳定性好、机械强度高的优点^[16]。然而,该类膜的合成工艺复杂,原料成本高,导致膜材料价格昂贵^[17]。研究发现^[18],当温度约为80℃时,该类膜可以吸附大量的水分子,形成亲水团簇,保障质子的传输。但当温度高于80℃时,膜内水分的生成速度小于蒸发速度,水分的减少破坏质子传输通道,从而造成电池工作效率显著降低。国内山东东岳集团多年致力于全氟磺酸膜的深入研究,并已取得多项研究成果^[19],但其产品在可靠性、寿命等方面还需提高。开发适用于更宽工作条件的高性能、低成本质子交换膜材料仍面临诸多挑战。

3.2.3 双极板成本

双极板成本在PEMFC系统成本中占比为18%~28%^[20]。双极板在PEMFC中起到收集并导出电流、分隔反应气体、为气体扩散层提供支撑以及传递反应热等作用。常用的双极板材料有石墨、金属和复合材料等^[4,21]。石墨双极板具有良好的导电性和耐腐蚀性,但体积较大、机械性能差、加工难度大、成本较高。金属双极板虽然具有较高的强度和良好的加工性能,但表面易腐蚀,需要进行复杂的表面处理以提高其耐腐蚀性能,导致其使用成本大幅提高。复合材料双极板综合性能较好,但目前制备工艺尚不成熟,成本同样居高不下。目前石墨双极板技术最为成熟,基本已实现国产化,但耐久性和工程化有待验证^[22-23]。因此,开发效率高、稳定性好、成本低的双极板,对实现PEMFC商业化应用至关重要。

3.3 耐久性问题

3.3.1 催化剂失活

催化剂失活是导致PEMFC性能衰退的重要原因之一,严重影响了PEMFC的使用寿命。研究发现,Pt/C催化剂经过纳米尺寸优化后催化活性可显著提高^[24],但纳米颗粒的Pt易发生电化学溶解生成Pt²⁺离子进入电解液,在启停、外电路负载突然增加等状态下,Pt的溶解现象更显著,导致催化剂活性位点明显减少。此外,当使用工况发生波动时,由于H₂短时饥饿,Pt/C催化剂的载体C会被氧化,且在Pt的催化下该氧化速率大幅提升^[25]。被氧化的载体C从催化剂骨架上脱落,负载在其上的Pt纳米颗粒会迁移、团聚,使催化剂比表面积减小,进一步加剧催化剂的失活。

3.3.2 膜材料老化

提高质子交换膜的耐久性,是延长PEMFC使用寿命的关键。质子交换膜在长期运行过程中会受到动态负载、启停循环、干湿循环等多种因素的影响而发生老化,从而缩短膜的使用寿命。研究表明,在阴极催化剂上,经质子交换膜穿透而来的质子H⁺,会与气体扩散层而来的O₂发生反应生成过氧化氢自由基HO₂⁺,该自由基的产生会使得质子交换膜中的全氟磺酸发生分解,从而导致膜材料发生老化,且高温、低湿条件会加速该路径造成的膜材料老化。此外,膜在干湿循环过程中,吸水和失水引起的体积膨胀和收缩容易产生机械应力,导致膜出现蠕变、穿孔、开裂的现象^[26],从而使H₂和O₂发生“短路”,降低PEMFC性能。高温、高湿度等恶劣工作条件也会加速膜材料的老化。

3.3.3 电极结构变形

PEMFC在运行过程中,电极结构会发生一系列变形,如气体扩散层会因湿度的反复变化、气体的冲刷、电化学反应产生的物质沉积等原因而发生改变,孔隙可能被堵塞,导致气体传质阻力增大,影响气体的扩散,反应物无法及时到达催化剂活性位点,产物也不能顺利排出,从而影响电化学反应的进行^[21]。气体扩散层的机械性能也可能因长期的应力作用而下降,出现开裂、分层等现象,破坏其整体性和导电性^[27]。催化层中的离子聚合物与催化剂的相互作用也会随着时间发生变化,导致离子传导和电荷传输受阻。电极结构的这些变形会使PEMFC的性能逐渐下降,最终影响其耐久性。

4 PEMFC未来展望

4.1 技术突破推动成本降低与性能提升

从技术研发角度来看,未来PEMFC有望在多个关键领域取得突破。催化剂方面,研发高活性、低成本、稳定性好的非Pt或低Pt催化剂是重要方向。目前,Pt基催化剂虽性能优异,但成本高昂,限制了PEMFC的大规模应用。通过探索新型材料,如可替代Pt的非贵金属催化剂、Pt-M合金催化剂等,降低催化剂成本的同时实现催化活性、耐久性的提升。膜材料方面,开发具有更高质子传导率、良好机械性能以及更好化学稳定性的膜材料至关重要。例如,一些新型聚合物膜或复合膜材料的研究正在进行中,有望克服现有全氟磺酸膜的不足。气体扩散层和双极板的优化也不容忽视,通过改进材料结构、流场设计、表面处理技术等,优化反应物的分布和传质过程,可进一步提高气体扩散效率和电池整体性能。此外,通过先进的制备工艺,如纳米制造技术、3D打印技术等,能够实现电池结构的精确控制和优化,为PEMFC性能的提升提供有力支持。

4.2 应用领域拓展带动市场规模增长

随着技术的成熟,PEMFC的应用领域将不断拓展。在交通运输领域,除了现有的氢燃料电池汽车,船舶、火车、景区观光车等也将逐渐采用该技术,实现零排放、低噪音运行。在固定式电源领域,PEMFC与再生能源的结合将成为重要发展方向。在分布式发电领域,PEMFC将为偏远地区或应急供电提供可靠的能源解决方案。在新兴领域,PEMFC有望成为未来小型飞机和无人机的重要动力源,以此满足全球对环保航空的需求。应用领域的拓展将大幅带动市场规模增长,预计到2030年,全球PEMFC市场规模将达到1 000亿美元,年复合增长率超过30%。可以预见,针对一些对环保要求较高的发达国家和地区,PEMFC的市场需求将呈现爆发式增长。

4.3 支持政策落地加速产业链协同

随着能源转型的迫切性,全球各国政府针对清洁能源发展的支持政策不断出台,这将成为PEMFC商业化发展的重要驱动力。欧盟计划在2025年前建设10 000座加氢站,为燃料电池汽车的普及提供基础设施保障。国内也将PEMFC列为战略性新兴产业,研发投入和示范推广力度显著加大。政策的持续支持,必将推动产业链的协同,如原材料供应商将与电池制造商紧密合作,共同开发高性能、低成本的材料;系统集成商将根据不同应用场景需求,提供定制化的燃料电池解决方案。产业链的协同有望提高PEMFC行业整体竞争力,推动PEMFC在全球能源结构中占据重要地位,为实现碳中和目标和能源转型做出巨大贡献。

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