中国团队破解氢燃料电池瓶颈，功率提升4倍，剑指航天

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Shutter Stock

撰文|Bell

编辑 | 小澜

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一直以来，氢能被视为人类迈向低碳未来最具潜力的清洁能源之一，而氢燃料电池则是将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的理想装置。

然而，氢燃料电池的功率输出，长期以来受制于质子传输效率，难以大幅提升。

如今，北京理工大学的研究团队通过一种全新的界面设计，让额定功率输出提高到了传统设计的4倍——这是氢能技术领域一项令人瞩目的突破。

据报道，这一进步有望将氢燃料电池的应用范围从公路车辆扩展到太空任务。相关研究成果近日正式发表于《Science》期刊。

来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp3564

该团队将目光投向了燃料电池内部最核心却也最受限的区域——催化层。催化层是氢氧发生电化学反应的场所，也是质子从阳极奔赴阴极的必经之路。

长期以来，工业界依赖一种名为Nafion的全氟磺酸聚合物作为质子导体。

Nafion在体相膜中表现优异，质子可以借助磺酸基团解离出的质子，沿着水分子网络以“格罗特斯跳跃”的方式快速传递。

但当Nafion被涂覆到催化剂表面、形成纳米尺度的薄膜时，情况就完全不同了。

受限空间改变了离聚物的聚集状态，质子传导率急剧下降，成为制约燃料电池功率输出和铂利用率的核心障碍。

更棘手的是，同一片离聚物区域还必须同时容纳氧气和水的传输，多重任务叠加，使得催化层内的传质矛盾愈发尖锐。

传统方式的选择是在“酸”上做文章，比如提高酸基团密度、增强酸性、优化空间分布。这些努力取得了不少进展，但催化层中的质子传导率依然不足以支撑高效运行。

研究团队决定跳出这个框架，向自然界寻找灵感。

他们发现，在生物体内，某些蛋白质质子泵能够实现超快质子转移，靠的并不是单一的酸性基团，而是酸性功能与碱性功能之间的协同配合。

受此启发，团队提出了一种全新的设计：将路易斯碱功能化的有机开放框架与Nafion结合，构建“布朗斯特酸-路易斯碱界面（Brønsted acid–Lewis base interfaces）”，让质子在酸性位点和碱性位点之间以中继方式跳跃，而不是单纯依赖酸基团之间的直接传递。

他们合成了2种二维多孔材料：三-s-三嗪框架纳米片和基于吖嗪的共价有机框架纳米片，并将它们与Nafion复合，形成新型离聚物。

图说：两种质子传输机制对比

来源：北京理工大学

这些开放框架的孔道内壁装饰着丰富的氮位点，能够作为路易斯碱与Nafion的磺酸基团发生相互作用。这种相互作用带来了三重效应。

首先，它创造了动态可交换的界面环境，促进了磺酸基团的去质子化，形成了一条“磺酸基—路易斯碱—水”的多步中继路径，显著降低了质子传输的能垒。

其次，界面处的水分子平均氢键数量减少，氢键网络得以更快地重组，从而支持连续的质子跳跃。

同时，路易斯碱位点能够吸引周围环境中的质子，在局部富集质子浓度。更妙的是，在电场作用下，这种界面还能诱导形成低配位的水链，进一步加速水分子重取向和格罗特斯跳跃。

实验数据令人振奋。与纯Nafion相比，复合材料的质子自扩散系数提高了1个数量级，质子电导率提升了6.5倍，质子转移活化能降低了55%。

在燃料电池的实际测试中，这种新型燃料电池的功率输出是传统设计的四倍。

这套系统在0.7伏电压下实现了每平方厘米0.75瓦的功率密度，同时仅使用了少量铂——氢燃料电池中常用的昂贵贵金属催化剂。

来源：DOI: 10.1126/science.adp3564

以铂用量来衡量，该装置的铂比功率输出高达每克铂6.9千瓦，优于目前最先进的燃料电池技术。

更令人印象深刻的是，这种设计在多种碳载体、烃类离聚物和不同铂载量下均表现出一致的性能提升，显示出良好的普适性和稳健性。

在耐久性方面，经过30000次加速应力测试（一种反复充放电以加速老化的测试）后，新型膜电极仍保留了63%的初始峰值功率，而传统Nafion体系仅剩30%。

而且，这种复合材料非常适合大规模生产。在实验室条件下，团队目前3天可以制备约100克复合材料，足以支撑10个百千瓦级电堆的生产。

值得关注的是，这种高功率密度、高效率的特性，在航天领域价值格外凸显。

在液氧环境下运行的氢氧燃料电池，其效率高度依赖质子传输的有效性，而这项技术正好切中了这一要害。

研究团队通讯作者之一李婕教授表示，该技术旨在解决如何在更小的堆体体积内以更高的效率和更高的功率密度产生电力的问题，而这正契合航空航天能源系统的需求。

这项成果在中国氢能产业快速发展的大背景下意义非凡。

2026年政府工作报告首次将氢能列为“新增长点”。《中国氢能发展报告（2026）》数据显示，截至2025年底，全国燃料电池汽车保有量约3.2万辆。

尽管乘用燃料电池汽车远不如纯电动汽车普及，但官方的支持力度依然强劲。

2026年3月，中央三部委联合提出到2030年实现燃料电池汽车保有量达到10万辆的目标，并呼吁将氢气零售价从每公斤30元以上降至25元以下——这被认为是氢能重卡在全生命周期成本上真正优于柴油车的关键拐点。

图说：一辆氢燃料电池公交车在中国东部山东省青岛市加氢

来源：Getty Images

当然，从实验室走向大规模商用，仍有不短的路要走。研究团队需要证明这项技术能够在工业规模上稳定制造、保持成本可控，并通过长期安全性和可靠性验证。

李婕也强调，燃料电池汽车不必复制电池电动车的路线。电池电动车适合短途出行，而燃料电池更适合重卡、长途运输以及需要快速加注和长续航的场景。

这种差异化定位，或许将是氢能技术真正的用武之地。

参考资料：

[1]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3367077/chinese-scientists-boost-hydrogen-fuel-cell-power-fourfold-new-design

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp3564

[3]https://atc.bit.edu.cn/xwdt/0e5474ddfd1a4de4a130f782426d0863.htm

[4]https://interestingengineering.com/energy/new-hydrogen-fuel-cell-delivers-quadruple-power

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