针对目前国内燃料电池电堆比功率相比国外差距较大这一问题，本文从高活性催化剂、增强复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐蚀薄金属双极板、电堆组装与一致性等多方面，探讨提高燃料电池电堆比功率的技术途径。此外，基于理论与实践积累分析了燃料电池活化极化、欧姆极化与传质极化与材料、部件、组装的关联性，为进一步提高燃料电池电堆性能与比功率提供方向性参考，供从事本领域的研究人员及工程技术人员参考。

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前言

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从功率级别看，国外以丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO为代表的燃料电池乘用车均搭载100kW左右的燃料电池堆，国内则主要在30-50kW左右，集中在商用车。无论是目前引进的电堆还是本土电堆，我国高比功率技术与国际先进水平还有一定的距离。提高燃料电池功率密度需从提高性能与减少体积两方面着手。

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在性能方面，通过降低活化极化、欧姆极化、传质极化等多方面入手提高燃料电池性能，改进催化剂、膜、双极板等关键材料的性能，保障电堆的一致性等；在体积方面，需要降低极板等硬件的厚度，提高集成度等。本文将从理论分析及工程实践经验着手，探讨提高功率密度的有效途径。

典型燃料电池极化曲线

高活性、高稳定性催化剂与电极

从燃料电池极化曲线可以看出，提高燃料电池性能首先要降低活化极化，而活化极化主要与催化剂活性密切相关。燃料电池在反应过程中，由于氧化还原反应(ORR)的交换电流密度远低于氢氧化反应(HOR)，一般极化损失主要来自于阴极侧(空气侧)。因此，研究焦点是提高阴极侧催化剂的活性。

目前，质子交换膜燃料电池中常用的商用催化剂是铂炭催化剂(Pt/C)，是由Pt 的纳米颗粒分散到碳粉(如XC-72)载体上的担载型催化剂，实际使用测试发现这种商用催化剂在活性、稳定性等方面都存在一定不足。美国能源部(DOE)催化剂指标如下表所示，研究者通过Pt晶面控制、Pt-M合金催化剂、Pt-M核壳催化剂、Pt表面修饰、Pt单原子层催化剂等多种途径探索高活性、高稳定性催化剂的解决方案，在这些研究中目前可以实际应用的只有Pt-M 合金催化剂。

表1 美国DOE设定的催化剂技术指标

Pt-M催化剂是Pt与过渡金属形成的合金催化剂，通过过渡金属催化剂对Pt的电子与几何效应，在提高稳定性的同时，质量比活性也有所提高；同时，降低了贵金属的用量，使催化剂成本也得到大幅度降低。如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂，展示出了较好的活性与稳定性。Chen等人利用铂镍合金纳米晶体的结构变化，制备了高活性与高稳定性Pt3Ni纳米笼催化剂，其质量比活性与面积比活性分别提高36倍与22倍。