作為目前已知的最清潔的能源之一，氫能正在全世界範圍內受到越來越多的關注。在中國，氫能源發展十分迅速，根據中國電池協會資料統計，2019年1-7月，氫燃料電池裝機容量同比猛增6倍以上，增速遠超其他國家和地區。中國地方政府紛紛出臺相關政策，對氫能源汽車產業發展加大扶持力度。
作為氫能源汽車核心系統的氫燃料電池，早在20世紀六七十年代便已開始在航空和軍工領域應用。後來，因技術不成熟等原因，氫燃料電池的規模化應用之路暫時中斷。與純電動汽車相比，氫燃料電池車具有加氫時間短、續航里程長的優點。有統計顯示，城市物流車在加氫站加6～7kg氫平均耗時5min。豐田最新推出的全新一代Mirai續航里程可達644km。2019年6月釋出的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》認為，未來，氫能將在交通運輸、工業等領域實現普及應用。作為目前發現的強度最高、導電效能最好、比表面積最大、韌性最好、質量最輕、透光率最高的材料，石墨烯被稱為“黑金”和“新材料之王”。在氫燃料電池領域，石墨烯因其獨特的性質，也得到了極大的應用和發揮。
1、氫燃料電池簡介
氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。氫燃料電池的效能、環保優勢突出，已達到產業化標準，在政策扶持下市場空間廣闊。環保方面，氫燃料電池具備零排放、零汙染的特性，有望掀起新一輪的能源革命。
圖1為氫燃料電池的結構示意圖。氫燃料電池的簡單工作原理如下：將氫氣送到燃料電池的陽極板（負極）表面，經過催化劑的催化作用，氫分解成氫離子和電子，氫離子（質子H+）透過質子交換膜（PEM），到達燃料電池陰極板（正極），而電子不能直接透過質子交換膜，電子只能透過外部電路而到達燃料電池陰極板，從而產生電路電流。電子到達燃料電池陰極板後，與氧氣和氫離子反應結合生成水。
圖1 氫燃料電池結構示意圖
氫燃料電池的燃料為氫和氧，生成物只有水，氫燃料電池工作中不產生一氧化碳和二氧化碳等，也沒有硫和微粒等汙染物。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上實現零排放、零汙染的電動車，氫氣將是完美的汽車能源燃料！
2 石墨烯氫燃料電池上的應用
2. 1 石墨烯催化劑
由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層所構成的膜電極元件（MEA），是燃料電池電堆的“心臟”（ 圖2）。
圖2 氫能源電池中膜電極元件
其中催化劑決定了氫燃料電池的放電效能和壽命。鉑是燃料電池最常用的催化劑之一，因為它能有效地實現技術中心的氧化還原反應。然而，其高成本刺激了研究工作，以尋找在保持相同催化活性的同時使用更可能少量的方法，科學家幾十年來尋找適當的替代品。豐田透過最佳化鉑/鈷合金比例，將Mirai的電堆鉑金載量降低至0。17 g/kW左右。本田Clarity的電堆由於使用氮原子層技術，鉑金載量更是低至0。12 g/kW。但鉑催化劑同時存在活性不足、耐久性差，容易中毒等問題。因此開發新型的物美價廉的催化劑迫在眉睫。石墨烯因其極高的的電導率、超大的比表面積、優良的化學穩定性，已經成為氫燃料電池催化劑研究的熱點。石墨烯摻雜後增加表面催化位點，自身可以作為一種無金屬催化劑；石墨烯表面修飾後可以增加負載金屬奈米粒子的錨定位點，是一種良好的非鉑系金屬催化劑載體。
日本東北大學伊藤良一研究員所在的課題組，成功利用石墨烯作為替代鉑催化劑。伊藤良一首先利用石墨烯製作出具有三維立體結構的石墨烯，然後用氣相沉積法（CVD）在石墨烯立體結構鍍上氮和硫元素。實驗結果表明，石墨烯表面鍍上的氮和硫的量越多，對氫的催化效率越高，越能高效催化製造出更多的氫。在此研究的基礎上發現，如果在石墨烯催化劑表面負載上鎳奈米粒子，其制氫催化效率完全可以超越傳統的鉑系催化劑。將此技術進行工業放大生產和市場化，可以大幅降低氫燃料電池成本。
英國萊斯大學教授詹姆斯·羅伯特（James Tour）透過將釕奈米粒子附著到石墨烯表面上，為氫燃料電池製造出了高效耐用的催化劑。實驗測試結果表明，釕—石墨烯催化劑的催化效能與傳統的鉑基合金相當。
2.2 石墨烯氣體擴散層
氣體擴散層（Gas Diffusion Layer）是支撐催化劑層和收集電流的重要結構，同時為氫燃料電池電極反應提供氣體、質子、電子和水等多個通道，它實現了氫氣和產物水在流場和催化層之間的再分配，是影響氫燃料電池電極效能的關鍵部件之一。氣體擴散層由基底層和微孔層2部分組成，其中基底層材料大多是多孔炭紙或碳布，微孔層材料為導電炭黑和憎水劑。
理想的氫燃料電池氣體擴散層應滿足3個條件：流暢的排水效能、優異的透氣效能和良好的導電效能。在已發現的材料裡石墨烯導電效能最好，並且容易捲曲纏繞，表面易於被氧化和修飾，可以作為絕佳的擴散層新增材料。
英國Northumbria University的Terence （Xiaoteng） Liu博士課題組和浙江大學高超教授課題組合作，利用石墨烯氣凝膠良好的導電效能、優異的機械效能、高催化劑負載效能和超輕的質量，用石墨烯氣凝膠替代傳統燃料電池中的電極板和氣體擴散層，在大大減輕燃料電池質量的同時也將燃料電池的質量功率密度提升了3倍。
2.3 石墨烯雙極板
雙極板是氫能源電池的核心零部件之一，其主要作用是透過表面的流場運輸氣體，收集、傳導反應生成的電流、熱量和水。根據不同的材料型別，其質量約佔電池電堆的60%～80%，成本佔比20%～30%。根據雙極板的功能需求，要求雙極板對電導率、氣密性、機械效能、耐腐蝕性等有較高的要求。
目前雙極板種類可以分為石墨雙極板和金屬雙極板。石墨雙極板，導電性、導熱性、穩定性和耐腐蝕性等效能較好，但機械效能相對較差、較脆、機加工困難導致成本較高等問題困擾著國內廠商。在石墨雙極板中加入少量石墨烯，可以提高其導電性和導熱性。由因石墨烯容易形成空間網狀結構，可以進一步提高石墨雙極板的耐腐蝕及機械效能，因此石墨烯可以作為優良的新增劑新增到石墨雙極板內。
與石墨板不同的是，金屬雙極板具有高導電率、高熱傳導率、高機械效能、高阻氣性、合金組分選擇度廣泛及便於大規模高效生產等優點，但金屬雙極板存在易腐蝕的缺點，需要在表面新增改性塗層進行保護。澳大利亞莫納什大學的研究人員人針對質子交換膜燃料電池環境中金屬雙極板的表面腐蝕問題，做了一系列的實驗和嘗試。
透過利用化學氣相沉積技術將多層石墨烯沉積到鎳合金金屬雙極板表面，然後在模擬氫燃料電池環境中進行長時間電化學效能測試，實驗結果表明石墨烯塗層在模擬氫燃料電池環境中除了能夠保證基本標準效能（如高導電性）外，還具有及其優異的耐腐蝕性，大幅提高雙極板使用壽命。
德國亞琛工業大學塑膠加工研究院採用石墨烯填充的聚丙烯複合物製備新型的燃料電池雙極板，並對其進行一系列的研究。製備流程：第一步，聚丙烯和彈性體複合生成複合材料；第二步，在複合物中加入具有優異導電效能的石墨烯粉體，實驗過程中需讓複合材料保持導電性的同時，又將石墨烯的新增量維持在較低水平。與目前的常用雙極板材料相比，實驗結果表明該複合材料能幫助延長燃料電池的使用壽命，有效降低廢品率，極大提高雙極板的綜合性能。
2.4 石墨烯質子交換膜
在氫燃料電池中，理想的質子交換膜（PEM）將填充氫氣的腔體和填充氧氣的燃燒室完全分隔開來，只允許質子單獨透過。而目前常用氫燃料電池質子交換膜隔離效能不夠好，會使氫燃料與氧化劑部分混合，從而損害了氫燃料電池的電化學效能。據英國曼徹斯特大學Geim教授介紹，石墨烯和六方氮化硼（hBN）膜可以減少幾個數量級的上述化學交叉。根據某國際研究小組的研究， 石墨烯薄片的質子傳導能力遠遠高於預期，並可能從根本上增強氫燃料電池的效能。
3 結語
石墨烯在氫能源領域的應用潛力巨大，可用於降低制氫成本，最佳化氫燃料電池質子交換膜、雙極板、催化劑等核心零部件的效能，加速燃料電池產業化。未來“石墨烯+氫能源”的前景令人期待，相信隨著科技的進步，石墨烯製備和應用技術的提高，石墨烯在氫能源燃料電池中的應用前景將更加廣闊。
