中国氢燃料电池产业发展蓬勃有力，目前国内多家企业已拥有氢燃料电池量产能力，并相继开展了规模化应用，推出的氢燃料电池产品性能指标与国际先进水平不相上下。在产业如火如荼发展的同时，也要认识到我国氢燃料电池技术水平与发达国家还存在差距，实现其商业化应用和产业化发展尚需进一步努力。
1 氢燃料电池技术体系
氢燃料电池具备高效、低噪、零污染等技术优势，与传统干蓄电池相比，其体系更为复杂，由膜电极组件（MEA）、双极板（BPs）及系统部件等组成。
1.1 膜电极组件
膜电极组件（MEA）是电池中H2和O2电化学反应的场所，对于燃料电池的整体性能起到决定性作用，其主要由质子交换膜（PEM）、催化层、气体扩散层（GDL）及密封边框等材料组成（图1）。膜电极制备方法的发展前后历经3次革新：热压法（GDE）、直接喷涂法（CCM）及有序化制备MEA技术。GDE和CCM法是当下主流的膜电极制备技术，具备高催化利用率的同时，可有效降低接触电阻和电荷转移造成的极化，大幅提升电池性能。有序化膜电极是第三代膜电极制备技术，除兼具前两者的优点外，还能显著降低Pt载量，提升膜电极的耐久性。然而，有序化膜电极技术目前仍不成熟，距商业化生产还有较大距离。
1.1.1 PEM
PEM具有传导质子、隔绝电子和隔离氢氧气体等特性，对电池性能和寿命有决定性影响。PEM可有效弥补传统阳离子交换膜的短板：①高质子电导率、对水分子电渗透性能低；②化学稳定性好；③干湿转换性能好、尺寸变化率低、机械强度高；④可加工性好、价格适中。由于质子交换膜制备工艺复杂、技术要求高，美国、日本等少数厂家长期垄断了市场，在关键技术和原料供应上均占绝对优势。未来质子交换膜将在材料、改性、无加湿技术等领域不断突破，但由于投入成本居高不下，如何最大化降本增效是PEM今后的重点发展方向。
1.1.2 催化层
现阶段常用的氢燃料电池催化剂有Pt、Pt改性及非Pt基催化剂等，由于非Pt基催化剂的活性较差，发展相对滞后。Pt或Pt改性催化剂（PtM）由于强催化活性、高纳米分散性、高耐久性等优势，已步入商业化应用阶段，其催化剂结构见图2。目前国内铂基催化剂产业已初具规模，其中国家电投氢能、擎动科技、济平新能源等企业已形成自主化产品，并已在批量化的氢燃料电池产品上获得应用。
1.1.3 GDL
GDL的主要功能为电流传导、散热及反应物供给等，其不仅具备强导电性和热稳定性，同时还兼具较好的柔韧性和表面平整性，是决定催化层活性的关键因素。GDL还是氢燃料电池的控水系统，利用对水的有效管控，可大幅改善燃料电池的经济性和耐久性。此外，气体扩散层的表面平整性和厚度对系统传热和传质的影响较大，是导致氢燃料电池体系浓差极化的主要原因。目前，人们大多采用减厚的方法来弥补浓差极化的问题，但由于受机械强度及柔韧性等因素的影响，效果欠佳。如何研制出孔结构均匀、亲憎水性能合理及高强度的GDL材料是未来该领域的主攻方向。
1.2 双极板
双极板的主要功能为支撑MEA、提供H2、O2和冷却液的流体通道、收集电子、传热等。因此，双极板具有强传热性、耐蚀性及热膨胀系数，按材质可划分为石墨、金属和复合材料双极板三大类。当前，石墨双极板因其高耐蚀性和稳定性的优势，生产规模最大，却存在机械性能差、体积大及生产周期长、生产效率低等缺点。金属双极板较好地弥补了石墨双极板面临的瓶颈问题，已成为现阶段主要的发展方向。但由于双极板所用金属材料塑性差、高温特性活泼等原因，造成工业化批量生产难度大，发展进程举步维艰。基于此，诸多学者提出了复合材料双极板技术。经研究表明，复合材料双极板具有耐腐蚀、体积小、重量轻等多重优点，但由于价格昂贵、电导率低等技术壁垒，目前尚处于实验室验证阶段。
1.3 辅助系统
氢燃料电池体系是一套相对复杂的装置，由电堆和辅助体系（BOP）构成。辅助系统对电堆内反应气体的压力流量、温湿度环境和电力进行精准控制，主要设备包括空压机、氢气循环装置、氢气喷射器等。
（1）空压机
空压机被誉为氢燃料电池之肺，一般采用小型化无油空压机，当前离心式空压机由于结构紧凑、封闭性好且振动小等优点，已成为主流。中国氢燃料电池空压机发展很快，已很大程度上实现国产化。
（2）氢气循环装置
氢气循环装置是氢燃料电池的关键部件，主要由氢气引射器和氢气循环泵构成，发挥着提高燃料利用效率、提升电堆性能等作用。国内厂家很早便开始积极布局氢气引射器相关产业，主要厂家有德燃动力、未来能源、浙江宏昇等。
（3）氢气喷射器
氢气喷射器是控制氢气流量和压力的装置，一般采用脉宽调制（PWM）方波信号进行控制。一个氢气喷射装置往往由多个喷射器并联后串联一个安全阀所构成的总成，目前我国已基本实现氢气喷射器国产化和自主化。
（4）DC/DC转换器
DC/DC转换器和控制器将氢燃料电池产生的能量传递给电机控制器（MCU）等，并有机分配燃料电池与锂电池间的能量，达到最佳能效。现阶段国产氢燃料电池DC/DC转换器已占据大部分市场，基本能满足各个功率范围的氢燃料电池系统需求，但芯片、电容等组件仍依赖进口。
（5）加湿器
由于实现自增湿技术难度较大，大部分系统中加湿器仍是重要部件。受技术门槛高、市场需求度小等因素影响，加湿器的国产化进程缓慢，美国博纯、韩国科隆等国外企业仍然占据较大的市场份额。
2 氢燃料电池技术应用
2.1 汽车领域
氢燃料电池汽车兼具无噪声、无污染、动力高等特点，具有广阔的应用前景，其工作原理为：高压储氢瓶内的H2通过供氢机组运输至燃料电池体系，同空气中的O2作用产生电能，进而和辅助电源一起实现互补供电，再由电机带动传动装置，驱动车辆前进。从结构上看，氢燃料电池汽车由储氢罐、燃料电池组、驱动电机等构成（图3）。氢燃料电池汽车的先进之处在于用氢燃料电池发动机代替常规驱动装置，并额外增加了储氢体系、加氢口和H2安全报警装置。
1966年，全球首辆氢燃料电池汽车由美国通用公司设计完成，能够提供32kW稳定的功率输出，拉开了氢燃料电池汽车开发的序幕。21世纪初期，氢燃料电池汽车的研发大旗被日韩接管，诸多国际著名汽车厂商相继进军该领域的研发工作。但相较于国外，国内氢燃料电池汽车仅有小批量采购订单，属于示范项目，加之积累的实际道路运行数据较少，尚未步入规模化商业运营阶段。此外，国内的氢燃料电池发动机基本用于商用车，乘用车方面仅形成了样车，尚未有批量产品。
图片
2.2 船舶领域
为了实现船舶的零碳和零污染，多种零碳船动力技术路线应运而生，其中氢燃料电池具有无排放、无污染及续航长等特点，用于船舶有着独特的优势，主要表现在：①氢燃料电池的排放物仅为水，加之无高温燃烧过程，不排放任何碳、氮、硫化物；②与锂电池船舶相比，氢燃料电池船舶在续航方面优势显著，且加注时间快；③能效转换率远高于传统动力装置；④氢燃料电池输出功率变化特性较快，对负载变化敏感，适用范围更广。
目前，美国、日本及欧盟等多个国家和地区在氢动力船舶领域开展了相关研究，如德国的氢燃料电池客船Hydra、日本研发的氢燃料电池赛艇“Energy Observer”号及美国的氢燃料电池客船“Water-Go-Round”号等。中国氢燃料电池船舶处于工程示范阶段，2021年初，大连海事大学新能源船舶动力技术研究院牵头，建造了中国第一艘氢燃料电池游轮“蟲湖”号通过试航，标志着我国氢燃料电池在船舶动力上的实船应用方面迈出关键一步。
2.3 航空领域
氢能航空被认为是航空业未来实现污染物零排放和可持续发展的关键，由于大型客机对于氢燃料电池能量密度、氢燃料储存和加注以及氢安全的要求较高，短时间内实现大型氢燃料电池飞机的应用难度很大。而无人机由于经济、操作便利等特点，产业链越来越广泛。氢燃料电池具有低噪、环保、续航长的特性，在无人机领域应用空间广阔。氢燃料无人机与其他类型动力系统相比，主要优势包括：①清洁、低碳、环保；②服役寿命和续航时间长；③加注时间短、生命周期内性能衰减小；④无震动和噪声、红外信号低。
国内已有较多的氢燃料电池无人机示范项目，包括英国Intelligent energy公司推出的djim100平台氢燃料电池无人机、挪威Nordic Unmanned公司研发的BG-200氢燃料电池无人机及美国海军2020年成功试飞的混合型无人机等。此外，德日韩等国也先后在氢动力无人机领域进行了实践。近年来，国内许多院校、企业对氢燃料电池无人机开展了项目实践，氢燃料无人机得以在巡航、警用、救援及气象等领域取得应用。
2.4 其他领域
现阶段，我国开展了多项氢燃料电池在轨道交通车辆上的应用研究和示范运营，其中以有轨电车的研究应用最为成熟。2019年，我国首个氢动力有轨电车在广东佛山市上线，拉开了中国氢燃料轨道交通车发展的序幕。此外，氢燃料电池兼具红外信号差、无噪等优势，使其在军事车辆领域也具有一定的应用前景。随着氢燃料电池技术的进一步发展，相信其应用领域有望实现进一步拓展。
3 氢燃料电池产业面临的挑战及对策
3.1 挑战
作为新兴产业，氢燃料电池与未来交通、航天、军工等多项产业的发展关系密切，但在大规模普及与应用方面仍面临诸多的挑战。
（1）从产业规模和市场环境层面分析，当前氢燃料电池在航天和交通运输领域的应用尚处于试验阶段，未能形成大规模商业化应用。加之我国尚未建立全国性的氢燃料电池市场，跨省跨区域发展不均，产品消纳“壁垒”突出。
（2）从技术设备层面分析，现有的航空、大型运输车及巨型油轮发动机结构不适合燃氢，加之氢燃料燃烧时会产生过量的NOx，且易发生回火现象，难以实现氢的稳定燃烧。
（3）从经济性层面分析，随着相关技术的不断成熟，氢燃料电池的研发成本不断下降，但仍明显高于锂电池技术。加之氢燃料电池使用的主要材料为Pt等贵金属，也相应增大了氢燃料电池的研制和生产成本。
（4）从氢储安全层面分析，车用、船用储氢是限制其发展的主要难点，由于大型车辆与船舶续航长、氢气耗量大，因此必须要统筹储氢密度、安全性及储氢成本间的平衡，研究出自适应性的高性能储氢体系。
（5）从行业发展层面分析，尽管我国燃料电池产业近年来取得了很大进展，在关键材料部件方面仍存在“卡脖子”问题。氢燃料电池的关键材料进口依存度高，未来需要尽快打破国外垄断。
3.2 推动氢燃料电池发展的对策建议
3.2.1 建立健全顶层规划、法规与政策体系
由国家牵头，赋予氢燃料电池明确的战略定位，并结合国情制定长期的发展意见和规划。同时颁布相应的法律法规和优惠政策，鼓励和刺激地方政府和企业，结合自身实情，制定具体、科学、有效的氢燃料电池发展路线。
3.2.2 加大氢燃料电池核心技术的研发
以掌握先进氢燃料电池技术的大型企业为表率，围绕核心业务，在工艺和技术方面加大研发力度，自主拓展研发氢燃料电池关键材料的解决方案，确保技术的持续创新与升级。多方位突破陆域、海域、航空等不同领域氢燃料电池的技术壁垒。
3.2.3 稳步降低氢气燃料使用成本
加大中央财政资金对氢燃料电池技术研发、成果转化的资金支持和补贴力度。与研究机构、高校等开展合作，共同研究核心降本技术，发展培育低成本化氢燃料电池技术。
3.2.4 夯实氢燃料储存和安全监测系统
建立完整的氢气监控体系和安全辅助装置，在确保氢燃料电池安全运行的同时，对系统进行过温过压保护，做到一旦发生预警，迅速切断电源，进而阻止事故发展，从源头上把控氢气使用的安全性和稳定性。
3.2.5 加强优势研发资源和产业资源的整合
统筹协调政府、地区、企业间的不同优势，广泛调动交通、军工等不同领域的力量共同推动氢燃料电池规模化发展目标的实现。同时利用现有的氢燃料电池实用性技术，与其他氢动力技术互通互用，构建完整的产业链、供应链，实现氢燃料电池的共制、共建和共享。
4 结语与展望
氢燃料电池具有清洁零碳、安全高效、用途多元等特点，可代替汽柴油在汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通工具中发挥重要作用。但是，在行业热度高涨的同时也应看到，我国氢燃料电池产业仍处于起步阶段，尚存在缺乏中远期定位和规划、核心技术和材料高度依赖进口、氢燃料电池制造成本居高不下、基础设施建设不足等困境。一方面，中国应充分借鉴国外先进的氢燃料电池技术，求同存异、取长补短、缩小差距，形成符合本国国情的氢燃料电池发展战略和研发体系。另一方面，加大对国内氢燃料电池的财政投入和政策支持，加强跨行业、跨区域的协同合作，构建全域联动机制，集中力量攻关氢燃料电池的关键设备和核心材料，以期快速实现其全产业国产化和自主化。
当前，国内氢能产业发展正处在降本增效、技术创新以及协同推进的初期探索阶段，氢能产业链上下游协同联动效果还未完全显现出来。燃料电池汽车成本何时能够下降？氢能核心技术问题何时能够攻破？氢能应用何时能够真正落地等问题逐步显现……
178 0012 6383