中國氫燃料電池產業發展蓬勃有力，目前國內多家企業已擁有氫燃料電池量產能力，并相繼開展了規模化應用，推出的氫燃料電池產品性能指標與國際先進水平不相上下。在產業如火如荼發展的同時，也要認識到我國氫燃料電池技術水平與發達國家還存在差距，實現其商業化應用和產業化發展尚需進一步努力。

1 氫燃料電池技術體系

氫燃料電池具備高效、低噪、零污染等技術優勢，與傳統干蓄電池相比，其體系更為復雜，由膜電極組件（MEA）、雙極板（BPs）及系統部件等組成。

1.1 膜電極組件

膜電極組件（MEA）是電池中H2和O2電化學反應的場所，對于燃料電池的整體性能起到決定性作用，其主要由質子交換膜（PEM）、催化層、氣體擴散層（GDL）及密封邊框等材料組成（圖1）。膜電極制備方法的發展前后歷經3次革新：熱壓法（GDE）、直接噴涂法（CCM）及有序化制備MEA技術。GDE和CCM法是當下主流的膜電極制備技術，具備高催化利用率的同時，可有效降低接觸電阻和電荷轉移造成的極化，大幅提升電池性能。有序化膜電極是第三代膜電極制備技術，除兼具前兩者的優點外，還能顯著降低Pt載量，提升膜電極的耐久性。然而，有序化膜電極技術目前仍不成熟，距商業化生產還有較大距離。

1.1.1 PEM

PEM具有傳導質子、隔絕電子和隔離氫氧氣體等特性，對電池性能和壽命有決定性影響。PEM可有效彌補傳統陽離子交換膜的短板：①高質子電導率、對水分子電滲透性能低；②化學穩定性好；③干濕轉換性能好、尺寸變化率低、機械強度高；④可加工性好、價格適中。由于質子交換膜制備工藝復雜、技術要求高，美國、日本等少數廠家長期壟斷了市場，在關鍵技術和原料供應上均占絕對優勢。未來質子交換膜將在材料、改性、無加濕技術等領域不斷突破，但由于投入成本居高不下，如何最大化降本增效是PEM今后的重點發展方向。

1.1.2 催化層

現階段常用的氫燃料電池催化劑有Pt、Pt改性及非Pt基催化劑等，由于非Pt基催化劑的活性較差，發展相對滯后。Pt或Pt改性催化劑（PtM）由于強催化活性、高納米分散性、高耐久性等優勢，已步入商業化應用階段，其催化劑結構見圖2。目前國內鉑基催化劑產業已初具規模，其中國家電投氫能、擎動科技、濟平新能源等企業已形成自主化產品，并已在批量化的氫燃料電池產品上獲得應用。

1.1.3 GDL

GDL的主要功能為電流傳導、散熱及反應物供給等，其不僅具備強導電性和熱穩定性，同時還兼具較好的柔韌性和表面平整性，是決定催化層活性的關鍵因素。GDL還是氫燃料電池的控水系統，利用對水的有效管控，可大幅改善燃料電池的經濟性和耐久性。此外，氣體擴散層的表面平整性和厚度對系統傳熱和傳質的影響較大，是導致氫燃料電池體系濃差極化的主要原因。目前，人們大多采用減厚的方法來彌補濃差極化的問題，但由于受機械強度及柔韌性等因素的影響，效果欠佳。如何研制出孔結構均勻、親憎水性能合理及高強度的GDL材料是未來該領域的主攻方向。

1.2 雙極板

雙極板的主要功能為支撐MEA、提供H2、O2和冷卻液的流體通道、收集電子、傳熱等。因此，雙極板具有強傳熱性、耐蝕性及熱膨脹系數，按材質可劃分為石墨、金屬和復合材料雙極板三大類。當前，石墨雙極板因其高耐蝕性和穩定性的優勢，生產規模最大，卻存在機械性能差、體積大及生產周期長、生產效率低等缺點。金屬雙極板較好地彌補了石墨雙極板面臨的瓶頸問題，已成為現階段主要的發展方向。但由于雙極板所用金屬材料塑性差、高溫特性活潑等原因，造成工業化批量生產難度大，發展進程舉步維艱。基于此，諸多學者提出了復合材料雙極板技術。經研究表明，復合材料雙極板具有耐腐蝕、體積小、重量輕等多重優點，但由于價格昂貴、電導率低等技術壁壘，目前尚處于實驗室驗證階段。

1.3 輔助系統

氫燃料電池體系是一套相對復雜的裝置，由電堆和輔助體系（BOP）構成。輔助系統對電堆內反應氣體的壓力流量、溫濕度環境和電力進行精準控制，主要設備包括空壓機、氫氣循環裝置、氫氣噴射器等。

（1）空壓機

空壓機被譽為氫燃料電池之肺，一般采用小型化無油空壓機，當前離心式空壓機由于結構緊湊、封閉性好且振動小等優點，已成為主流。中國氫燃料電池空壓機發展很快，已很大程度上實現國產化。

（2）氫氣循環裝置

氫氣循環裝置是氫燃料電池的關鍵部件，主要由氫氣引射器和氫氣循環泵構成，發揮著提高燃料利用效率、提升電堆性能等作用。國內廠家很早便開始積極布局氫氣引射器相關產業，主要廠家有德燃動力、未來能源、浙江宏昇等。

（3）氫氣噴射器

氫氣噴射器是控制氫氣流量和壓力的裝置，一般采用脈寬調制（PWM）方波信號進行控制。一個氫氣噴射裝置往往由多個噴射器并聯后串聯一個安全閥所構成的總成，目前我國已基本實現氫氣噴射器國產化和自主化。

（4）DC/DC轉換器

DC/DC轉換器和控制器將氫燃料電池產生的能量傳遞給電機控制器（MCU）等，并有機分配燃料電池與鋰電池間的能量，達到最佳能效。現階段國產氫燃料電池DC/DC轉換器已占據大部分市場，基本能滿足各個功率范圍的氫燃料電池系統需求，但芯片、電容等組件仍依賴進口。

（5）加濕器

由于實現自增濕技術難度較大，大部分系統中加濕器仍是重要部件。受技術門檻高、市場需求度小等因素影響，加濕器的國產化進程緩慢，美國博純、韓國科隆等國外企業仍然占據較大的市場份額。

2 氫燃料電池技術應用

2.1 汽車領域

氫燃料電池汽車兼具無噪聲、無污染、動力高等特點，具有廣闊的應用前景，其工作原理為：高壓儲氫瓶內的H2通過供氫機組運輸至燃料電池體系，同空氣中的O2作用產生電能，進而和輔助電源一起實現互補供電，再由電機帶動傳動裝置，驅動車輛前進。從結構上看，氫燃料電池汽車由儲氫罐、燃料電池組、驅動電機等構成（圖3）。氫燃料電池汽車的先進之處在于用氫燃料電池發動機代替常規驅動裝置，并額外增加了儲氫體系、加氫口和H2安全報警裝置。

1966年，全球首輛氫燃料電池汽車由美國通用公司設計完成，能夠提供32kW穩定的功率輸出，拉開了氫燃料電池汽車開發的序幕。21世紀初期，氫燃料電池汽車的研發大旗被日韓接管，諸多國際著名汽車廠商相繼進軍該領域的研發工作。但相較于國外，國內氫燃料電池汽車僅有小批量采購訂單，屬于示范項目，加之積累的實際道路運行數據較少，尚未步入規模化商業運營階段。此外，國內的氫燃料電池發動機基本用于商用車，乘用車方面僅形成了樣車，尚未有批量產品。

2.2 船舶領域

為了實現船舶的零碳和零污染，多種零碳船動力技術路線應運而生，其中氫燃料電池具有無排放、無污染及續航長等特點，用于船舶有著獨特的優勢，主要表現在：①氫燃料電池的排放物僅為水，加之無高溫燃燒過程，不排放任何碳、氮、硫化物；②與鋰電池船舶相比，氫燃料電池船舶在續航方面優勢顯著，且加注時間快；③能效轉換率遠高于傳統動力裝置；④氫燃料電池輸出功率變化特性較快，對負載變化敏感，適用范圍更廣。

目前，美國、日本及歐盟等多個國家和地區在氫動力船舶領域開展了相關研究，如德國的氫燃料電池客船Hydra、日本研發的氫燃料電池賽艇“Energy Observer”號及美國的氫燃料電池客船“Water-Go-Round”號等。中國氫燃料電池船舶處于工程示范階段，2021年初，大連海事大學新能源船舶動力技術研究院牽頭，建造了中國第一艘氫燃料電池游輪“蟲湖”號通過試航，標志著我國氫燃料電池在船舶動力上的實船應用方面邁出關鍵一步。

2.3 航空領域

氫能航空被認為是航空業未來實現污染物零排放和可持續發展的關鍵，由于大型客機對于氫燃料電池能量密度、氫燃料儲存和加注以及氫安全的要求較高，短時間內實現大型氫燃料電池飛機的應用難度很大。而無人機由于經濟、操作便利等特點，產業鏈越來越廣泛。氫燃料電池具有低噪、環保、續航長的特性，在無人機領域應用空間廣闊。氫燃料無人機與其他類型動力系統相比，主要優勢包括：①清潔、低碳、環保；②服役壽命和續航時間長；③加注時間短、生命周期內性能衰減小；④無震動和噪聲、紅外信號低。

國內已有較多的氫燃料電池無人機示范項目，包括英國Intelligent energy公司推出的djim100平臺氫燃料電池無人機、挪威Nordic Unmanned公司研發的BG-200氫燃料電池無人機及美國海軍2020年成功試飛的混合型無人機等。此外，德日韓等國也先后在氫動力無人機領域進行了實踐。近年來，國內許多院校、企業對氫燃料電池無人機開展了項目實踐，氫燃料無人機得以在巡航、警用、救援及氣象等領域取得應用。

2.4 其他領域

現階段，我國開展了多項氫燃料電池在軌道交通車輛上的應用研究和示范運營，其中以有軌電車的研究應用最為成熟。2019年，我國首個氫動力有軌電車在廣東佛山市上線，拉開了中國氫燃料軌道交通車發展的序幕。此外，氫燃料電池兼具紅外信號差、無噪等優勢，使其在軍事車輛領域也具有一定的應用前景。隨著氫燃料電池技術的進一步發展，相信其應用領域有望實現進一步拓展。

3 氫燃料電池產業面臨的挑戰及對策

3.1 挑戰

作為新興產業，氫燃料電池與未來交通、航天、軍工等多項產業的發展關系密切，但在大規模普及與應用方面仍面臨諸多的挑戰。

（1）從產業規模和市場環境層面分析，當前氫燃料電池在航天和交通運輸領域的應用尚處于試驗階段，未能形成大規模商業化應用。加之我國尚未建立全國性的氫燃料電池市場，跨省跨區域發展不均，產品消納“壁壘”突出。

（2）從技術設備層面分析，現有的航空、大型運輸車及巨型油輪發動機結構不適合燃氫，加之氫燃料燃燒時會產生過量的NOx，且易發生回火現象，難以實現氫的穩定燃燒。

（3）從經濟性層面分析，隨著相關技術的不斷成熟，氫燃料電池的研發成本不斷下降，但仍明顯高于鋰電池技術。加之氫燃料電池使用的主要材料為Pt等貴金屬，也相應增大了氫燃料電池的研制和生產成本。

（4）從氫儲安全層面分析，車用、船用儲氫是限制其發展的主要難點，由于大型車輛與船舶續航長、氫氣耗量大，因此必須要統籌儲氫密度、安全性及儲氫成本間的平衡，研究出自適應性的高性能儲氫體系。

（5）從行業發展層面分析，盡管我國燃料電池產業近年來取得了很大進展，在關鍵材料部件方面仍存在“卡脖子”問題。氫燃料電池的關鍵材料進口依存度高，未來需要盡快打破國外壟斷。

3.2 推動氫燃料電池發展的對策建議

3.2.1 建立健全頂層規劃、法規與政策體系

由國家牽頭，賦予氫燃料電池明確的戰略定位，并結合國情制定長期的發展意見和規劃。同時頒布相應的法律法規和優惠政策，鼓勵和刺激地方政府和企業，結合自身實情，制定具體、科學、有效的氫燃料電池發展路線。

3.2.2 加大氫燃料電池核心技術的研發

以掌握先進氫燃料電池技術的大型企業為表率，圍繞核心業務，在工藝和技術方面加大研發力度，自主拓展研發氫燃料電池關鍵材料的解決方案，確保技術的持續創新與升級。多方位突破陸域、海域、航空等不同領域氫燃料電池的技術壁壘。

3.2.3 穩步降低氫氣燃料使用成本

加大中央財政資金對氫燃料電池技術研發、成果轉化的資金支持和補貼力度。與研究機構、高校等開展合作，共同研究核心降本技術，發展培育低成本化氫燃料電池技術。

3.2.4 夯實氫燃料儲存和安全監測系統

建立完整的氫氣監控體系和安全輔助裝置，在確保氫燃料電池安全運行的同時，對系統進行過溫過壓保護，做到一旦發生預警，迅速切斷電源，進而阻止事故發展，從源頭上把控氫氣使用的安全性和穩定性。

3.2.5 加強優勢研發資源和產業資源的整合

統籌協調政府、地區、企業間的不同優勢，廣泛調動交通、軍工等不同領域的力量共同推動氫燃料電池規模化發展目標的實現。同時利用現有的氫燃料電池實用性技術，與其他氫動力技術互通互用，構建完整的產業鏈、供應鏈，實現氫燃料電池的共制、共建和共享。

4 結語與展望

氫燃料電池具有清潔零碳、安全高效、用途多元等特點，可代替汽柴油在汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通工具中發揮重要作用。但是，在行業熱度高漲的同時也應看到，我國氫燃料電池產業仍處于起步階段，尚存在缺乏中遠期定位和規劃、核心技術和材料高度依賴進口、氫燃料電池制造成本居高不下、基礎設施建設不足等困境。一方面，中國應充分借鑒國外先進的氫燃料電池技術，求同存異、取長補短、縮小差距，形成符合本國國情的氫燃料電池發展戰略和研發體系。另一方面，加大對國內氫燃料電池的財政投入和政策支持，加強跨行業、跨區域的協同合作，構建全域聯動機制，集中力量攻關氫燃料電池的關鍵設備和核心材料，以期快速實現其全產業國產化和自主化。

當前，國內氫能產業發展正處在降本增效、技術創新以及協同推進的初期探索階段，氫能產業鏈上下游協同聯動效果還未完全顯現出來。燃料電池汽車成本何時能夠下降？氫能核心技術問題何時能夠攻破？氫能應用何時能夠真正落地等問題逐步顯現……