氢燃料电池效率高且排放的是水蒸气，而非废气，但因成本高昂，目前与电动汽车相比缺乏竞争力。不过，挪威研究人员现已找到通过减少两个关键部件来提升其竞争力的方法，有望使燃料电池更便宜、更环保。该研究发表在《电化学学会杂志》上。

燃料电池在减少交通运输领域温室气体排放方面潜力巨大，尤其在重型运输、海运领域，以及较长时间内在航空领域。燃料电池由膜和催化剂组成，二者对将氢气转化为电能的过程及燃料电池整体性能至关重要。其中，膜由对环境有害的含氟材料制成，催化剂则由稀有且昂贵的矿物铂制成，二者占燃料电池总成本的41%。因此，SINTEF的研究人员聚焦于降低这两个组件的成本。

如今，一种更便宜、更环保的氢燃料电池已在实验室诞生。这种解决方案轻薄无比，甚至让A4纸摸起来都像厚纸板。该催化剂由无数铂粒子组成，每个铂粒子如同微型反应器，将氢气转化为电能，反应器越多发电量越大，但昂贵的材料也增加了成本。

“找到材料用量和发电量之间的最佳平衡至关重要。”SINTEF的研究员帕特里克·福廷(Patrick Fortin)说道，“在这项研究项目中，我们找到了一种布置反应堆的方法，使其能够提供足够的电力来运行燃料电池，同时大幅减少所需的材料用量。”与最先进的燃料电池相比，这项研究使铂含量减少了62.5%。

“通过减少燃料电池中的铂含量，我们不仅有助于降低成本，还考虑到重要原材料供应和可持续性方面的全球挑战。”Fortin表示。铂金是地球上最昂贵、最稀有的矿物之一，仅在欧洲以外的地区开采，欧盟已将其列为关键原材料。

这类燃料电池使用的膜含有氟化聚合物，属于全氟和多氟烷基物质(PFAS)这一更广泛的类别。这些物质用于许多含氟产品中，包括滑雪蜡、Gore-Tex面料和灭火泡沫。欧盟认为这些材料的化学风险不断增加，因为它们的生产、降解和处置会导致有害化合物的释放，造成严重的健康和环境问题。

研究人员将原本就很薄的膜再减薄33%，研制出一种更加环保且成本更低的膜。“目前燃料电池的膜厚度为15微米。我们的原型厚度仅为10微米。换个角度来看，一张标准A4纸的厚度为100微米。”Fortin说道。

在研究过程中，SINTEF发现已达到膜厚度对性能影响的极限。结果表明，15微米和10微米膜的性能几乎相同。Fortin表示，这种平衡与膜的特性有关。“新膜的有效性取决于质子穿过膜表面进入催化剂层的速度，即所谓的‘界面阻力’，以及质子穿过膜本身的速度，即所谓的‘体积阻力’。”他说，“在测试过程中，我们注意到体积阻力在15微米以下变得可以忽略不计，并且性能仅由界面阻力决定，对于两种膜而言，界面阻力是相同的。”

研究人员得出结论，尽管材料用量减少了，但从极薄到更薄的薄膜并不会影响膜的性能。研究人员的计算表明，氢燃料电池中膜的总成本可降低高达20%，而有害PFAS的含量可减少33%。

“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说。

更多信息：Yejung Choi等人，《膜厚度和催化剂负载对质子交换膜燃料电池性能的影响》，《电化学学会杂志》(2024 年)。