燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，具備良好地發(fā)展前景。

一、燃料電池技術(shù)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。氫-氧燃料電池為最常見燃料電池，其反應(yīng)原理是電解水的逆過程（如圖1所示）。


燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，整個過程綠色環(huán)保，不產(chǎn)生任何污染物，而且效率高、噪音小，同時燃料技術(shù)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(rèn)為未來替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的綠色能源產(chǎn)品之一。

燃料電池按電解質(zhì)的種類不同，分為堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池以其工作溫度低、轉(zhuǎn)化效率高、功率密度高、可快速啟動、且環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(lián)產(chǎn)，動如汽車、無人機、水下潛艇等。本文以下主要介紹質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈情況。

2. 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的組成

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


燃料電池堆主要完成氫氧電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的功能，發(fā)電功率范圍根據(jù)需要，通過增加單電池數(shù)量而增大。電堆發(fā)電的同時，產(chǎn)出水和熱量，水通過陰極出口排出，熱量主要通過冷卻循環(huán)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(yīng)物質(zhì)和冷卻液的流道，串聯(lián)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(yīng)物均勻分布在膜電極各處，管理電池反應(yīng)產(chǎn)生的水與熱。雙極板需具備高導(dǎo)電性、小電阻率、高導(dǎo)熱性、良好化學(xué)穩(wěn)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(zhì)主要包括石墨雙極板、復(fù)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(wǎng)格流道等類型。膜電極一般由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層組成，其中質(zhì)子交換膜是電解質(zhì)隔離膜，起到對質(zhì)子導(dǎo)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(fù)合膜，國內(nèi)山東東岳集團的質(zhì)子交換膜。催化劑即發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵催化媒介物質(zhì)，一般由鉑、鈀等貴金屬與碳組成，傳統(tǒng)為Pt - C催化劑，目前新型的鉑合金催化劑已有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(zhì)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(tǒng)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(yīng)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(yīng)提供氫氣，主要包括減壓閥、氫氣循環(huán)泵（起到使氫氣循環(huán)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(huán)回路，冷卻液循環(huán)流動，帶走電堆產(chǎn)生熱量，主要包括水泵、散熱器、儲水箱等。燃料電池控制系統(tǒng)集軟件和硬件為一體，包括燃料電池控制器以及相應(yīng)的控制軟件。

二、質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1. 國內(nèi)外質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池被歐盟認(rèn)為是未來實現(xiàn)低碳環(huán)保經(jīng)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(huán)節(jié)。未來世界能源體系將逐漸從不可再生能源轉(zhuǎn)向可再生能源，減少對高污染儲量有限如石油等傳統(tǒng)能源的依賴（如圖3所示）。但是，可再生能源，如太陽能，風(fēng)能等儲存運輸不便，而利用氫氣作為新能源燃料的化學(xué)儲能技術(shù)儲能密度高，技術(shù)成熟，例如西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始建立氫氣管道運輸網(wǎng)絡(luò)；燃料電池技術(shù)是國際公認(rèn)的發(fā)電效率最高而碳排放最低的發(fā)電環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)。


目前，國內(nèi)各地也正積極推動燃料電池發(fā)展。2017年9月，上海發(fā)布《上海市燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃到2020年，上海將聚集超過100家燃料電池汽車相關(guān)企業(yè)，于2025年建成50座加氫站，到2030年實現(xiàn)燃料電池汽車技術(shù)和制造總體達(dá)到國外同等水平，上海燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值突破3 000億元[4]。燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展密不可分。

大連新源動力股份有限公司為國內(nèi)燃料電池起步較早的企業(yè)之一，成為這一領(lǐng)域的國內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)，其研發(fā)的氫燃料電池率先在國內(nèi)汽車行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(fā)動機大批量生產(chǎn)線已經(jīng)正式投產(chǎn)，該產(chǎn)線預(yù)估的每年產(chǎn)燃料電池發(fā)動機的產(chǎn)能在1萬臺左右，項目總投資達(dá)到了10億元。

佛山（云浮）產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)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(chǎn)線技術(shù)協(xié)議，在國內(nèi)建設(shè)年生產(chǎn)20 000臺電堆和5 000套系統(tǒng)的首條商業(yè)化燃料電池電堆及系統(tǒng)集成生產(chǎn)線。首批試制電堆樣品主要性能指標(biāo)達(dá)到國際先進水平。計劃2018年生產(chǎn)3 000臺9SSL電堆，系統(tǒng)集成1000套。在各方紛紛加碼燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的背景下，燃料電池已具備大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的能力，未來燃料電池產(chǎn)業(yè)將迎來迅速產(chǎn)業(yè)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(fā)工作，推動燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其中世界著名燃料電池公司加拿大巴拉德是復(fù)合板電堆最早產(chǎn)業(yè)化公司，并最初為多家車廠提供電堆，如本田汽車、日產(chǎn)汽車等。

豐田汽車公司從1992年開始致力于研發(fā)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(nèi)開始租賃，2005年7月獲得車型認(rèn)證。2008年6月發(fā)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(fā)初始搭載的就是本公司自主研發(fā)的燃料電池，燃料電池汽車發(fā)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(tǒng)已達(dá)到單位容積發(fā)電3.1kW/L，與研發(fā)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(nèi)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(fā)出搭載自主研發(fā)燃料電池的改良型燃料電池汽車，并于2006年9月發(fā)布FCX Concept車型，2007年發(fā)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(dá)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(zhì)量為268kg。包括電堆系統(tǒng)、0.8kg氫燃料的燃料罐、充電電池以及DC - DC轉(zhuǎn)換器，額定電壓為27V，可連續(xù)輸出額定電流為78A（燃料電池平均功率2.2kW）5s內(nèi)可供給400A電流，1s內(nèi)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(dá)到500A。美國的燃料電池叉車壽命達(dá)到了12 500h的水平，在室內(nèi)空間使用，具有噪音低、零排放的優(yōu)點。

2. 質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展前景

從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，氫能優(yōu)勢帶動氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，短期尋求平穩(wěn)突破，長期迎來加速發(fā)展。從氫能源產(chǎn)業(yè)中最核心的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)來講，2011年全球氫能與燃料電池市場規(guī)模為10.3億美元，較2010年6.7億美元增長54%。

日本日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所日前發(fā)布的《世界氫能源基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)的全球氫能源基礎(chǔ)設(shè)施市場規(guī)模只有7萬億日元左右，預(yù)期在2015-2020年，氫能源基礎(chǔ)設(shè)施市場進入平穩(wěn)的發(fā)展時期；而在2020年以后該市場會呈現(xiàn)加速增長態(tài)勢，到2025年，氫能源基礎(chǔ)設(shè)施家用市場的規(guī)模將超過商用。也正因為如此，在從2020-2025年的5年內(nèi)，該市場規(guī)模將實現(xiàn)倍增，預(yù)計達(dá)到約20萬億日元；到2050年將達(dá)到約160萬億日元（約合1.56萬億美元）。

政策是推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指揮棒。自2016年底以來，氫能產(chǎn)業(yè)從政策到實業(yè)環(huán)節(jié)，各方動作頻頻。2016年4月國家發(fā)展與改革委員會及國家能源局在系統(tǒng)內(nèi)部印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，并同時發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖》，提出了15項重點創(chuàng)新任務(wù)，包括煤炭清潔高效利用技術(shù)創(chuàng)新、先進核能技術(shù)創(chuàng)新、氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新、先進儲能技術(shù)創(chuàng)新、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新等

2016年12月，國務(wù)院發(fā)布《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，要求“十三五”期間推動車載儲氫系統(tǒng)以及氫制備、儲運和加注技術(shù)發(fā)展，推進加氫站建設(shè)，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(xié)年會上也表示，氫具有來源廣泛、大規(guī)模穩(wěn)定儲存、持續(xù)供應(yīng)、遠(yuǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展。必須加強協(xié)同創(chuàng)新，加快推動氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

3.氫璞創(chuàng)能燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品

北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司（以下簡稱“氫璞創(chuàng)能”）成立于2010年。一直致力于燃料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，是為數(shù)不多的擁有核心技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的燃料電池廠家之一。目前，氫璞創(chuàng)能擁有30余項項燃料電池及生產(chǎn)線相關(guān)發(fā)明專利與保密技術(shù)。

擁有石墨板電堆、復(fù)合板電堆和金屬板電堆技術(shù)及產(chǎn)品。氫璞創(chuàng)能電堆與國內(nèi)外燃料電池廠家電堆參數(shù)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(yīng)用環(huán)境。該電堆性能穩(wěn)定，為目前穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品，其產(chǎn)品已應(yīng)用于多款車型，部分已車輛已取得公告，應(yīng)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(fù)合板電堆

氫璞第3代復(fù)合板電堆（見圖5），額定功率18～36kW，該產(chǎn)品兼具低壓、中壓、高壓的能力，為國際一流碳基復(fù)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(chǎn)品由自動化產(chǎn)線生產(chǎn)，具有更高品質(zhì)，更低成本。具體參數(shù)見表2。


（3）氫璞第1代金屬板電堆

氫璞中美團隊自2014年創(chuàng)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(chǎn)品具有獨特流場及結(jié)構(gòu)設(shè)計，體積功率密度不低于2.5kW/L，質(zhì)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(yù)期壽命不低于5000h（詳見表3）。在該產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，氫璞團隊目前正在研制第二代金屬板電堆，該產(chǎn)品已完成設(shè)計，其體積功率密度不低于4.0kW/L，目前進入設(shè)計驗證及工藝選型階段，預(yù)期2018年完成原型機的驗證。


（4）5～36kW氫燃料電池系統(tǒng)

目前氫璞成熟氫燃料電池系統(tǒng)為5～36kW（見圖7）,可并聯(lián)擴容。該產(chǎn)品通過集成化設(shè)計，將電堆、輔助系統(tǒng)、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(xué)空濾器，環(huán)境適應(yīng)能力強。該產(chǎn)品90%以上部件實現(xiàn)國產(chǎn)化，成本低。

（5）產(chǎn)品應(yīng)用

氫璞創(chuàng)能具有燃料電池產(chǎn)品及甲醇制氫技術(shù)，可為多領(lǐng)域提供技術(shù)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(shù)提供微型加氫站方案及氫能儲能系統(tǒng)。氫璞創(chuàng)能與多家整車廠合作，其中東風(fēng)燃料電池箱式貨運車EQ5080XXYTFCEV4進入工業(yè)和信息化部推薦目錄。

4.氫璞創(chuàng)能燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

氫璞創(chuàng)能作為國家高新技術(shù)企業(yè)，除具有高級、尖端的燃料電池產(chǎn)品，同時擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池電堆全自動化生產(chǎn)線（見圖9）。該產(chǎn)線電堆產(chǎn)能達(dá)到2000臺/年，可擴容至5000臺/年，適應(yīng)生產(chǎn)線應(yīng)具備一定擴展能力，MES系統(tǒng)允許增加設(shè)備。兼容多種板型復(fù)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(chǎn)進度、各工序主設(shè)備狀態(tài)、在制品狀態(tài)、質(zhì)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(chǎn)品間的雙向追溯的能力；具有電堆產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯（達(dá)到工序級）功能；同時具有車間組織結(jié)構(gòu)、產(chǎn)線物理結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品工藝路線、物料信息、檢驗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則可視化建模。

三、結(jié)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(shù)發(fā)展、社會資金流向以及產(chǎn)線鏈發(fā)展來看，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)，行業(yè)前景十分可觀。

從燃料電池系統(tǒng)及電堆技術(shù)角度來看，國內(nèi)燃料電池技術(shù)逐漸進入國際先進水平。國內(nèi)燃料電池系統(tǒng)及電堆企業(yè)也在加足馬力，在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，研發(fā)新的、更加先進的技術(shù)。