燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等學科的有關理論，是一種將化學能轉化為電能的技術，具備良好地發展前景。

一、燃料電池技術簡介

1.燃料電池原理及分類

燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。氫-氧燃料電池為最常見燃料電池，其反應原理是電解水的逆過程（如圖1所示）。


燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等學科的有關理論，是一種將化學能轉化為電能的技術，整個過程綠色環保，不產生任何污染物，而且效率高、噪音小，同時燃料技術原理上彌補了其他能源方式（比如鋰電池）容量小、充電慢、壽命短的缺點。燃料電池已被歐盟確認為未來替代傳統內燃機的綠色能源產品之一。

燃料電池按電解質的種類不同，分為堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。質子交換膜燃料電池以其工作溫度低、轉化效率高、功率密度高、可快速啟動、且環境友好，被廣泛應用于各個領域，小到手機電池、充電寶，大到大型電站；固定式如通訊基站主備用電源、家用熱電聯產，動如汽車、無人機、水下潛艇等。本文以下主要介紹質子交換膜燃料電池相關技術及產業鏈情況。

2. 質子交換膜燃料電池系統的組成

燃料電池主要包含起到“心臟”作用的發電單元燃料電池堆，燃料電池輔助系統，燃料電池控制系統。具體構成見圖2所示。


燃料電池堆主要完成氫氧電化學反應發電的功能，發電功率范圍根據需要，通過增加單電池數量而增大。電堆發電的同時，產出水和熱量，水通過陰極出口排出，熱量主要通過冷卻循環帶出。電堆主要由雙極板、膜電極、端板等組成。其中雙極板是提供反應物質和冷卻液的流道，串聯各單體電池并收集電流，起到機械支撐的作用，同時分離氧化劑和還原劑，將反應物均勻分布在膜電極各處，管理電池反應產生的水與熱。雙極板需具備高導電性、小電阻率、高導熱性、良好化學穩定性和耐腐蝕性、高有效面積、良好的機械強度、低成本等特點，其材質主要包括石墨雙極板、復合材料雙極板和金屬雙極板等類型，通常包括蛇形流道、直流道、交指流道、網格流道等類型。膜電極一般由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層組成，其中質子交換膜是電解質隔離膜，起到對質子導通、對電子隔離的作用，目前國際上主要有杜邦公司的聚氟磺酸（Nafion）膜和戈爾公司的復合膜，國內山東東岳集團的質子交換膜。催化劑即發生電化學反應的關鍵催化媒介物質，一般由鉑、鈀等貴金屬與碳組成，傳統為Pt - C催化劑，目前新型的鉑合金催化劑已有產業化應用。氣體擴散層（GDL）主要為碳紙或碳布，主要起到氣體擴散，電流的收集，對質子交換膜起到物理支持的作用等，從而確定催化劑的利用率和整體性能。

燃料電池輔助系統主要包括陰極回路、陽極回路和冷卻回路。陰極回路是指空氣回路，為燃料電池反應提供氧氣（空氣中的氧氣），主要包括空壓機、空濾器、增濕器等部件；陽極回路是指氫氣回路，為燃料電池反應提供氫氣，主要包括減壓閥、氫氣循環泵（起到使氫氣循環利用的作用）、電磁閥等；冷卻回路是指冷卻液（去離子水或乙二醇水溶液）循環回路，冷卻液循環流動，帶走電堆產生熱量，主要包括水泵、散熱器、儲水箱等。燃料電池控制系統集軟件和硬件為一體，包括燃料電池控制器以及相應的控制軟件。

二、質子交換膜燃料電池產業發展現狀

1. 國內外質子交換膜燃料電池發展現狀

燃料電池被歐盟認為是未來實現低碳環保經濟的重要方式之一，也是未來清潔能源體系不可或缺的重要環節。未來世界能源體系將逐漸從不可再生能源轉向可再生能源，減少對高污染儲量有限如石油等傳統能源的依賴（如圖3所示）。但是，可再生能源，如太陽能，風能等儲存運輸不便，而利用氫氣作為新能源燃料的化學儲能技術儲能密度高，技術成熟，例如西方發達國家已經開始建立氫氣管道運輸網絡；燃料電池技術是國際公認的發電效率最高而碳排放最低的發電環節關鍵技術。


目前，國內各地也正積極推動燃料電池發展。2017年9月，上海發布《上海市燃料電池汽車發展規劃》，規劃到2020年，上海將聚集超過100家燃料電池汽車相關企業，于2025年建成50座加氫站，到2030年實現燃料電池汽車技術和制造總體達到國外同等水平，上海燃料電池汽車全產業鏈年產值突破3 000億元[4]。燃料電池的產業化發展與整個產業鏈的發展密不可分。

大連新源動力股份有限公司為國內燃料電池起步較早的企業之一，成為這一領域的國內領軍企業，其研發的氫燃料電池率先在國內汽車行業實現產業化應用。

2017年8月，由億華通投建的我國第1條自動化氫燃料電池發動機大批量生產線已經正式投產，該產線預估的每年產燃料電池發動機的產能在1萬臺左右，項目總投資達到了10億元。

佛山（云浮）產業轉移工業園的氫能燃料電池汽車包含氫能乘用車、氫燃料電池城市客車以及燃料電池物流車等多款車型。2016年5月，廣東國鴻氫能科技有限公司與加拿大巴拉德簽署引進9SSL電堆生產線技術協議，在國內建設年生產20 000臺電堆和5 000套系統的首條商業化燃料電池電堆及系統集成生產線。首批試制電堆樣品主要性能指標達到國際先進水平。計劃2018年生產3 000臺9SSL電堆，系統集成1000套。在各方紛紛加碼燃料電池汽車產業的背景下，燃料電池已具備大規模工業化生產的能力，未來燃料電池產業將迎來迅速產業化階段。

隨著世界幾大汽車集團進行車用燃料電池和燃料電池汽車的研發工作，推動燃料電池的產業化發展，其中世界著名燃料電池公司加拿大巴拉德是復合板電堆最早產業化公司，并最初為多家車廠提供電堆，如本田汽車、日產汽車等。

豐田汽車公司從1992年開始致力于研發工作，1996年10月首次向外界公開燃料電池汽車，2002年12月在日本國內開始租賃，2005年7月獲得車型認證。2008年6月發布了燃料電池汽車FCHV-adv。豐田汽車公司的燃料電池汽車從研發初始搭載的就是本公司自主研發的燃料電池，燃料電池汽車發布的同時始終追求燃料電池小型化及高效化的車載燃料電池系統已達到單位容積發電3.1kW/L，與研發之初相比性能已有大幅度提升。隨后，豐田FCVmirai于2014年12月15日在日本國內銷售，其燃料電池功率為114kW，功率密度為3.1kW/L。

本田汽車公司自搭載Ballard燃料電池的燃料電池汽車之后，2002年開發出搭載自主研發燃料電池的改良型燃料電池汽車，并于2006年9月發布FCX Concept車型，2007年發布FCXclarity并開始租賃。本田燃料電池從1999年到2013年，體積縮小了33％，功率密度達到3.1kW/L。

美國PLUG POWER所配燃料電池單元的外形尺寸為33cm×79cm×98cm，質量為268kg。包括電堆系統、0.8kg氫燃料的燃料罐、充電電池以及DC - DC轉換器，額定電壓為27V，可連續輸出額定電流為78A（燃料電池平均功率2.2kW）5s內可供給400A電流，1s內可供給1 125A電流。電池的容量為550A h，制動時電流的再生最大可達到500A。美國的燃料電池叉車壽命達到了12 500h的水平，在室內空間使用，具有噪音低、零排放的優點。

2. 質子交換膜燃料電池發展前景

從現有數據來看，氫能優勢帶動氫能源產業發展，短期尋求平穩突破，長期迎來加速發展。從氫能源產業中最核心的氫燃料電池產業來講，2011年全球氫能與燃料電池市場規模為10.3億美元，較2010年6.7億美元增長54%。

日本日經BP清潔技術研究所日前發布的《世界氫能源基礎設施項目總覽》顯示，在2015年包括液化氫基地、管道、固定式燃料電池以及燃料電池車在內的全球氫能源基礎設施市場規模只有7萬億日元左右，預期在2015-2020年，氫能源基礎設施市場進入平穩的發展時期；而在2020年以后該市場會呈現加速增長態勢，到2025年，氫能源基礎設施家用市場的規模將超過商用。也正因為如此，在從2020-2025年的5年內，該市場規模將實現倍增，預計達到約20萬億日元；到2050年將達到約160萬億日元（約合1.56萬億美元）。

政策是推動新興產業發展的指揮棒。自2016年底以來，氫能產業從政策到實業環節，各方動作頻頻。2016年4月國家發展與改革委員會及國家能源局在系統內部印發《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，并同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》，提出了15項重點創新任務，包括煤炭清潔高效利用技術創新、先進核能技術創新、氫能與燃料電池技術創新、先進儲能技術創新、能源互聯網技術創新等

2016年12月，國務院發布《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，要求“十三五”期間推動車載儲氫系統以及氫制備、儲運和加注技術發展，推進加氫站建設，并對燃料電池汽車給予最高50萬元/臺的巨額補貼；2017年6月，時任科技部部長萬鋼在吉林長春舉行的第19屆中國科協年會上也表示，氫具有來源廣泛、大規模穩定儲存、持續供應、遠距離運輸、快速補充等特點，在未來車用能源中，氫燃料與電力將并存互補，共同支撐新能源汽車產業發展。必須加強協同創新，加快推動氫能燃料電池產業全面發展。

3.氫璞創能燃料電池技術及產品

北京氫璞創能科技有限公司（以下簡稱“氫璞創能”）成立于2010年。一直致力于燃料電池的研發和產業化，是為數不多的擁有核心技術自主知識產權及產業化技術的燃料電池廠家之一。目前，氫璞創能擁有30余項項燃料電池及生產線相關發明專利與保密技術。

擁有石墨板電堆、復合板電堆和金屬板電堆技術及產品。氫璞創能電堆與國內外燃料電池廠家電堆參數對比見表1。


（1）氫璞2代3～12kW石墨板電堆

氫璞第2代3～12kW石墨板電堆（見圖4），該電堆為中/低壓水冷堆，電堆輸出電流范圍為0～260A，效率不低于40%，主要用于物流車、大巴車、叉車、固定式電源等對空間要求相對較低的應用環境。該電堆性能穩定，為目前穩定生產產品，其產品已應用于多款車型，部分已車輛已取得公告，應用于四川移動通信基站、江蘇移動（宿遷）通信基站等。

（2）氫璞第3代18～36kW復合板電堆

氫璞第3代復合板電堆（見圖5），額定功率18～36kW，該產品兼具低壓、中壓、高壓的能力，為國際一流碳基復合板電堆。其功率密度為1.5kW/L，工作電流范圍0～300A，電堆效率不低于52%，具有更長壽命，兼容車載動力與電力市場。同時，該產品由自動化產線生產，具有更高品質，更低成本。具體參數見表2。


（3）氫璞第1代金屬板電堆

氫璞中美團隊自2014年創建金屬板電堆團隊，共同打造第一代金屬板電堆(見圖6)額定功率為20～50kW，該產品具有獨特流場及結構設計，體積功率密度不低于2.5kW/L，質量功率密度不低于2.0kW/kg，工作電流范圍為0～400A，電堆效率不低于52%，最大陽/陰極工作壓力為200/200kPa，預期壽命不低于5000h（詳見表3）。在該產品的基礎上，氫璞團隊目前正在研制第二代金屬板電堆，該產品已完成設計，其體積功率密度不低于4.0kW/L，目前進入設計驗證及工藝選型階段，預期2018年完成原型機的驗證。


（4）5～36kW氫燃料電池系統

目前氫璞成熟氫燃料電池系統為5～36kW（見圖7）,可并聯擴容。該產品通過集成化設計，將電堆、輔助系統、燃料電池控制器集成為一體，體積小、且具有巡檢單片電壓的功能，具有高效化學空濾器，環境適應能力強。該產品90%以上部件實現國產化，成本低。

（5）產品應用

氫璞創能具有燃料電池產品及甲醇制氫技術，可為多領域提供技術方案（如圖8），如大巴車、物流車、汽車、叉車以及通訊基站等提供燃料電池，基于甲醇制氫技術提供微型加氫站方案及氫能儲能系統。氫璞創能與多家整車廠合作，其中東風燃料電池箱式貨運車EQ5080XXYTFCEV4進入工業和信息化部推薦目錄。

4.氫璞創能燃料電池產業化發展

氫璞創能作為國家高新技術企業，除具有高級、尖端的燃料電池產品，同時擁有具有自主知識產權的燃料電池電堆全自動化生產線（見圖9）。該產線電堆產能達到2000臺/年，可擴容至5000臺/年，適應生產線應具備一定擴展能力，MES系統允許增加設備。兼容多種板型復合板的制備、雙極板制作、電堆組裝及檢測的的功能。具有生產進度、各工序主設備狀態、在制品狀態、質量信息、效率信息可查詢并以表格和圖形展示的功能；具有原材料與電堆產品間的雙向追溯的能力；具有電堆產品生產過程的追溯（達到工序級）功能；同時具有車間組織結構、產線物理結構、產品工藝路線、物料信息、檢驗標準和規則可視化建模。

三、結語

目前，無論是從國家政策支持層面、地方政府支持力度，還是從燃料電池技術發展、社會資金流向以及產線鏈發展來看，我國燃料電池產業蓄勢待發，行業前景十分可觀。

從燃料電池系統及電堆技術角度來看，國內燃料電池技術逐漸進入國際先進水平。國內燃料電池系統及電堆企業也在加足馬力，在擴大生產規模的同時，研發新的、更加先進的技術。