“国内在PEMFC电堆研发方面进步很快，一些性能指标已达到甚至超过世界先进水平，但在可靠性、寿命等方面还有很大的不足。”新研氢能首席技术官齐志刚认为，尽管我国的燃料电池进步很快，但依然需要关注前沿技术的发展变化。
在2023高工氢能&氢电技术与应用大会上，新研氢能首席技术官齐志刚博士发表了“燃料电池堆前沿技术探讨”的主题演讲。他从介孔碳载体、一体化单电池、端板效应、无助冷启动、多室极板、多段电堆和延寿方法等多个层面论述了其对燃料电池堆前沿技术发展的思考。
介孔碳载体助力性能提升
在影响燃料电池性能的多个要素中，催化剂起到的作用最为关键，其中，催化剂载体、催化剂本身、催化层都起到很重要的作用。如果用介孔碳来替换活性碳，将能有效提高电极的性能。照常规方法催化剂铂用量低到一定程度时，膜电极的性能突然会有大幅度下降，采用介孔碳则能避免了这个问题。由于介孔是连通的，有利于物质传输，介孔使催化剂的分散更均匀，增加了催化剂颗粒团聚的难度进而提升寿命，此外，介孔中的催化剂不被树脂覆盖进而活性不被降低。
丰田等公司公开的资料显示，80%的催化剂颗粒是在介孔碳里面，能让催化剂的活性提高50%，电化学性能提高20%。齐志刚表示，未来介孔碳将取代目前常用的活性炭而成为PEMFC用催化剂载体的主流，低Pt量高性能电极成为可能；如果介孔碳把催化剂活性提升50%的话，单电池电压提升约20mV，离理想的极限情况还是相差很远。
一体化单电池与端板效应
国内电堆的制作过程是将阴极板、阳极板组合成双极板，跟膜电极反复在电堆中堆叠形成电堆。丰田的做法跟国内有所区别，它是将膜电极密封在阴极板和阳极板之间，形成一个一体化单电池。三者之间的密封通过注胶或使用胶膜热压实现，单电池之间是通过水腔接触，丰田最早采用这种方式，目前国内也有一些企业开始尝试这种方式。
一体化单电池的优点是单电池之间的均一性提高，便于电堆组装，尤其是大幅面膜电极和极板的情况，便于单电池的更换，未来将有更多的企业尝试这种方式，但是单电池的阴极/膜电极/阳极一体化密封有一定的技术和工艺挑战。
紧靠集流板的端单电池所处环境与其它单电池不一样，集流板会导致它们损失一些热量，导致温度或温差与其它单电池的差别，带来水热管理问题。通常在电堆中，端单电池时常表现出性能最差、衰减最快，可这种端板效应并不是每次都出现，给分析研究带来挑战。
如何解决端板效应？结合一些公开的资料，齐志刚给出了如下建议：1、在端单电池和集流板之间装置假膜电极；2、使端单电池极板的流场不同于其它单电池；3、使端单电池的膜电极不同于其它单电池；4、给端单电池增加伴热。
“端板效应是温度、流量、阻力等多种因素的叠加，不同的电堆、环境与运行条件面对的主因可能并不相同，需要更多的研究，也是目前最棘手的问题。”齐志刚表示，攻克端板效应势在必行，否则难言燃料电池商业化。
无助冷启动降低到-52摄氏度
燃料电池产生水，而水一般在0℃结冰，冰会堵塞反应通道，阻止反应继续进行；而燃料电池工作时产生电和热，对阻止结冰有帮助。能否做到无助冷启动也是衡量燃料电池表现的重要指标之一。
美国能源部对于燃料电池低温冷启动目标的规定是，-20℃时在30s内达到50%的额定输出功率；-30℃时实现无助冷启动；-40℃实现有助冷启。现阶段低温冷启动无外乎外加热、自生热和外加热与自生热相结合这三种方法。国外主流汽车企业均宣布实现了燃料电池系统-30℃的无助冷启动。
新研氢能通过估算电堆的热容，设定启动时间，计算所需氢气和空气的流量，启动冷却液循环，启动放热反应等一系列的冷启动策略和流程控制，成功把燃料电池的无助冷启动提升到一个新的水平。2022年新研氢能实现了金属板电堆-40℃无助冷启动，2023年先后实现了金属板电堆-47℃和-52℃无助冷启动，且把启动时间控制在1分钟之内。
多室极板、多段电堆与延寿方法
多室极板方案的出现主要是与电堆功率提升有关。通常为了提升电堆的功率，要么是增加电堆单电池的数量，要么是采用更大面积的极板。但这两个方案都回遇到问题，单电池数量过多会使均一性变差，边缘效应扩大，采用更大面积的极板又会出现流道压力降过大的问题。
因此，多室极板为大功率单堆需求提供了一个解决方案，1对相邻的2个反应区可以共用中间的1组共用腔室，1片极板上可以有多对这样的反应区，但膜电极可以按一对相关反应区情况进行设计，没有大幅提高膜电极的加工制造难度，但是多室极板的加工制造难度增加。新研氢能研发的多室极板，一板二室，有效面积达到530cm2，性能、流体压降与单室极板电堆相近。
另一方面，由于压力降和均一性的要求，单个电堆中极板的面积和单电池的数量都受到限制，电堆的功率提升也因此受到限制。串并联小电堆是个解决方案，但面临成本增加和电堆与电堆间性能差异不好控制的问题。
“一堆多段结构为大功率单堆需求提供了另一个解决方案。”齐志刚表示，通过中间端板进出流体的方式可以形成一堆多段的电堆结构，虽然该结构中引进了中间端板，但应该还是单堆。电堆中的段数可按需选择，满足偶数条件就行。极板和膜电极均是常规尺寸，不增加加工难度和费用。一板多室与一堆多段的组合可以制造更大功率的电堆。
在演讲的最后，齐志刚还提到了燃料电池的延寿方法。在他看来，燃料电池运行中，催化层衰减是个必然趋势，可逆衰减不及时恢复就会逐渐变成不可逆衰减，不采取延长寿命方法的话，目前（多数）膜电极性能衰减10%所用的时间并不长，及时恢复可逆衰减是延寿的有效方法。
