氢燃料电池技术发展现状及未来展望，能否引领能源革命？

氢能及氢燃料电池技术因其清洁、高效等优势，被广泛看好在汽车、发电等领域的应用前景。当前，全球正面临环境污染和能源危机的双重挑战，发展绿色能源成为各国共识。氢能作为一种清洁能源，具有高能量密度和零排放的特点，被视为能源革命的重要方向。氢燃料电池技术通过电化学反应将氢气转化为电能，具有高效率、低噪音等优点。在新一轮能源革命的推动下，各国纷纷制定氢能发展战略，推动氢燃料电池技术的研发和应用。我国也高度重视氢能发展，将其列为“十四五”能源技术装备重点任务，启动了国家重点研发计划，突破关键技术。然而，氢燃料电池技术仍面临生产成本高、结构紧凑性、耐久性等挑战。优化系统控制策略、开发新型基础材料是提高系统性能、降低成本的有效途径。我国在氢燃料电池关键材料、核心组件研发方面已取得一定进展，但与国际先进水平仍有差距。未来，应加强关键材料和核心组件的技术攻关，降低生产成本，推动氢燃料电池技术的商业化应用。同时，发展绿色制氢技术，降低氢气燃料使用成本，对推广氢燃料电池技术具有重要意义。建议加强制氢技术攻关，推动可再生能源制氢，降低产氢成本。此外，科学制定产业规划，构建政策保障体系，为氢燃料电池技术发展提供良好的政策环境。总之，氢燃料电池技术作为清洁能源的代表，具有广阔的发展前景。在政策支持和技术创新的双重驱动下，氢燃料电池技术有望在能源革命中发挥重要作用，推动人类社会向低碳、清洁发展转型。氢燃料电池技术以其清洁、高效等优势，被广泛看好在汽车、发电等领域的应用前景。面对环境污染和能源危机的双重挑战，发展绿色能源成为全球共识。氢能作为一种清洁能源，具有高能量密度和零排放的特点，被视为能源革命的重要方向。在新一轮能源革命的推动下，各国纷纷制定氢能发展战略，推动氢燃料电池技术的研发和应用。我国也高度重视氢能发展，将其列为“十四五”能源技术装备重点任务，启动了国家重点研发计划，突破关键技术。然而，氢燃料电池技术仍面临生产成本高、结构紧凑性、耐久性等挑战。优化系统控制策略、开发新型基础材料是提高系统性能、降低成本的有效途径。我国在氢燃料电池关键材料、核心组件研发方面已取得一定进展，但与国际先进水平仍有差距。未来，应加强关键材料和核心组件的技术攻关，降低生产成本，推动氢燃料电池技术的商业化应用。同时，发展绿色制氢技术，降低氢气燃料使用成本，对推广氢燃料电池技术具有重要意义。建议加强制氢技术攻关，推动可再生能源制氢，降低产氢成本。此外，科学制定产业规划，构建政策保障体系，为氢燃料电池技术发展提供良好的政策环境。在政策支持和技术创新的双重驱动下，氢燃料电池技术有望在能源革命中发挥重要作用，推动人类社会向低碳、清洁发展转型。

研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案本文来自：中国工程院院刊作者：刘应都郭红霞欧阳晓平

当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度(140MJ/kg)是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以支撑实现低碳、清洁发展模式[2,3]。发达国家或地区积极发展“氢能经济”，制定了《全面能源战略》(美国)、《欧盟氢能战略》(欧盟)、《氢能/燃料电池战略发展路线图》(日本)等发展规划，推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略，2001年确立了863计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略；《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》《汽车产业中长期发展规划》(2017年)等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2020年，科技部启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本(电解质、催化剂等基础材料)、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。美国能源部燃料电池技术项目研究认为[4]，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径[5]。近期的综述性研究工作[6~10]，报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。我国提出了将于2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源革新发展，实现碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国能源领域的战略性新兴产业，氢燃料电池技术是实现氢能利用的先决条件。为了促进我国氢燃料电池技术产业链的全面发展，本文依托中国工程院咨询项目的支持，分析国内外氢燃料电池技术关键材料、核心组件的研发与应用现状，凝练我国发展氢燃料电池技术面临的问题，梳理未来相关技术发展方向并提出保障措施建议，以期为行业技术发展提供基础性参考。

二、氢燃料电池技术体系及发展现状氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶)组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性(与其他性能)决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面，氢燃料电池技术体系及部分相关前沿研究如图1所示。

图1氢燃料电池技术体系(一)膜电极组件膜电极(MEA)是氢燃料电池系统的核心组件，通常由阴极扩散层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层和阳极气扩散层组成，直接决定了氢燃料电池的功率密度、耐久性和使用寿命。根据MEA内电解质的不同，常用的氢燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。各类型燃料电池具有相应的燃料种类、质量比功率和面积比功率性能，其中质子交换膜燃料电池以启动时间短(~1min)、操作温度低(

(一)关键材料及组件研发进展

近年来，我国的氢燃料电池技术基础研究较为活跃，在一些技术方向具备了与发达国家“比肩”的条件；但整体来看，所掌握的核心技术水平、综合技术体系尚不及具有领先地位的国家，如我国在1998年才出现首个氢燃料电池发明专利，目前相关核心专利数仅占世界的1%左右。先发国家在氢燃料电池系统、组件、控制技术、电极等方面发展相对均衡，一些国际性企业在燃料电池系统、电池组件与加工、控制技术等方面居于世界领先地位(见图2、图3)。

图2主要国家在氢燃料电池方面的研发重心分布

图3氢燃料电池代表性企业的研发重心布局在储氢方面，高压气态储氢技术在国内外获得普遍使用，低温液态储氢在国外有较大发展，而国内暂限于民用航空领域的小范围使用。液氨、甲醇、氢化物、液体有机氢载体(LOHC)储氢在国外已有成熟产品和项目应用，而国内仍处于小规模实验阶段。催化剂、GDL等关键零部件或材料处在研究与小规模生产阶段，批量化产品的可靠性、耐久性还需要长期验证，主要技术为国外公司所掌握。中山大洋电机股份有限公司、思科涡旋科技(杭州)有限公司、上海汉钟精机股份有限公司等国内企业，均处于氢气循环泵的产品研发验证阶段，部分公司已实现小批量产品供货。碳纸、碳布是制备GDL的关键材料，基础材料是碳纤维；我国碳纤维研制从20世纪80年代中期才开始，目前尚处于小规模生产阶段，生产的碳纤维很难同时满足电堆对于低电阻、高渗透性、机械强度大等的要求，与国外高性能碳纤维材料相比仍有较大差距。上海河森电气公司、上海济平新能源科技公司均有小批量的碳纸生产能力。我国已将碳纤维列为重点支持的战略性新兴产业，相关技术在产业政策扶持下有望加速发展。石墨BPs已实现国产化，金属BPs实现小批量供货，但耐久性、可靠性有待继续检验；相关研究单位或企业有中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学、新源动力股份有限公司、国鸿氢能科技有限公司、上海弘枫实业有限公司等。上海重塑能源科技有限公司、上海捷氢科技有限公司、新源动力股份有限公司等氢燃料电池电堆供应商，产品功率达到国际先进水平，建成了自动化生产线；金属BPs电堆功率密度达到3.8kW/L，可在–30℃低温条件下自启动，完成6000h实车工况耐久性测试[24]。安徽明天氢能科技股份有限公司、雄韬电源科技有限公司已经建成电堆自动化生产线。贵研铂业股份有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、上海交通大学、清华大学等从事催化剂研究，其中中国科学院大连化学物理所制备的Pt3Pd/C合金催化剂已应用于燃料电池发动机[11]。PEM已具有国产化能力，年产能可达数万平方米，但高端产品还依赖进口。空气压缩机技术起步晚，2018年实现国产化并有小批量生产，但缺少低功耗、高速、无油的空气压缩机产品。在产业发展方面，珠江三角洲、长江三角洲、京津翼地区涌现出了数百家氢燃料电池公司；氢燃料电池商用车(客车、叉车)已实现批量生产，燃料电池乘用车尚处在应用示范阶段。国产乘用车、商用车的电堆功率与国外产品大致相当，但系统可靠性、耐久性、比功率、综合寿命方面还需工况验证。国内一些企业掌握了氢燃料电池系统研发技术，相关产品的冷启动、功率密度等性能显著提升，具有年产万台的批量化生产能力。然而与国际先进水平相比，国产电池系统核心零部件及系统的耐久性与可靠性仍存在一定差距。(二)重点发展方向1.关键材料与核心组件的性能及产能提升膜电极、BPs、氢气循环泵、空气压缩机、GDL等核心组件，PEM、催化剂等关键材料，均已实现小规模自主生产，为未来大规模商业化生产储备了技术基础条件。氢燃料电池系统的国产化程度已从2017年的30%提高到2020年的60%。预计到2025年，金属BPs可完全国产化，低功耗、高速、无油的空气压缩机进入小规模自主生产阶段；机械强度高、孔隙率均匀、抗碳腐蚀的碳纤维制备技术有望取得突破，大电流密度条件下的GDL水气通畅传质问题有望得到解决。在技术应用方面，从现阶段重点发展氢燃料电池客车、卡车等商用车，逐步推广到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等领域。随着关键材料的物理性能改进，各组件热学、力学、电化学稳定性提高，氢燃料电池系统的稳定性、综合寿命将有明显改善。预计到2035年，燃料电池系统功率密度将由当前约3.1kW/L全面提升到约4.5kW/L，乘用车、商用车电堆寿命将由当前的5000h、15000h分别增加到6000h、20000h。2.生产成本的显著下降氢燃料电池系统的成本必然随着技术进步、生产规模的扩大而下降，预计未来10年生产成本将降低至目前的50%。燃料电池系统各部件的成本构成，若按照年产量为5×105套、净功率为80kW/套计算，可建立分析模型[25]：膜电极成本占比为27%，BPs成本占比为12.4%，空气循环子系统(含空气压缩机、质量监控传感器、温度传感器、过滤器等)成本占比为25.8%，冷却回路(含高低温回路、空气预冷器、电子组件等)成本占11.2%，其他成本占23.6%。双极板和催化剂分别占整个电池电堆成本的28%和41%，而气体扩散层、电解质膜、膜电极骨架三者成本大体相当，约占电堆成本的6%~8%；各部件在系统成本中的占有比例随着生产规模和各自的技术水平而变化。该分析结果虽具有模型依赖性并建立在丰田Mirai车型数据及一些前提假设基础上，但揭示了未来提高氢燃料电池电堆功率密度、降低氢燃料电池系统制造成本的途径。应重点发展低成本、低Pt或无Pt的电催化剂，低成本、轻薄型、高性能复合材料BPs，尽快发布产业政策和技术规范，在条件成熟区域扩大燃料电池系统生产规模。美国能源部计划在2025年实现氢燃料电池系统(功率为80kW)成本目标40美元/kW，为远期的30美元/kW目标奠定基础，进而达到与内燃机汽车的生产成本可比性。按照我国现有的技术储备条件，根据中国氢能联盟《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》(2019年、2020年)预测，2035年我国氢燃料电池系统的生产成本将降至当前的1/5(约800元/kW)；到2050年降低至300元/kW[26]；届时燃料电池汽车拥有量将超过3×107辆，加氢站数量达到1×104座，氢能消耗占终端总能源消耗的10%。虽然不排除因我国研究机构与企业之间的深度协作而带来技术快速提升，到2035年氢燃料电池汽车成本将具有与内燃机汽车同等的竞争力[27]并基本接近国外先进水平，但就目前的技术状态而言，需着力提升氢燃料电池电堆材料制备和部件制造技术，大幅度降低相关系统的生产成本。

(一)强化制氢技术攻关，降低氢气燃料使用成本降低氢燃料成本有利于氢燃料电池技术的推广应用，而大规模的氢燃料电池技术利用将进一步降低相关系统的成本。建议切实推动与氢燃料电池技术产业链配套的制氢、储运氢[28,29]、加氢站的发展，稳步降低氢气燃料使用成本；重点发展并应用碳捕获与封存技术，通过风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，传统谷电能实施大规模绿色制氢；对标当前国际先进水平的2~3mg/cm2催化剂Pt载量、3.7美元/kg产氢成本的指标[30]，重点采用PEM电解槽制氢技术路线，积极发展高温固体氧化物电解水制氢技术。

(二)加快关键材料和核心组件的技术攻关与转化应用

为进一步降低氢能的生产和利用成本，无论是氢燃料电池还是电解水制氢，需要大力开展碳纤维/布、PEM、催化剂、GDL、BPs等关键材料或核心组件的制备技术研究与转化应用。建议构建“研究机构/实验室–企业–产业园”的协同创新机制，鼓励原创的突破性研究成果进入企业开展“先行先试”，及早接受市场考验；在有条件的地区建设氢能产业园区，注重产业集群建设以形成规模化效应，从而促进氢燃料电池系统及氢气成本的技术性下降；支持自主研发企业的产品进驻氢能产业园区进行培育示范，国家级实验平台应侧重支持企业进行产品论证和工况测试。多渠道、全方位引入社会资本参与加氢站、储运氢基础设施建设，通过项目试点和示范运营，助推氢燃料电池全产业链的稳健发展。(三)科学制定产业规划，构建政策保障体系建议研究制定有关氢能、氢燃料电池技术的中长期发展规划，做好系统的顶层设计。关键技术的突破与创新，稳定的专业人才队伍是关键，建议在2021—2035年周期内持续设立氢燃料电池国家级专项课题，提供稳定的经费支持，鼓励氢能及氢燃料电池研究队伍倾力投入研究。合理保持对氢燃料电池产业链的投入，从土地、税收、技术标准等诸多方面给予积极支持，鼓励和引导氢燃料电池企业从事研发与产业化应用活动。有关技术标准体系的构建，是引导企业安全有序开展研发和市场活动的重要前提，建议系统研究制定加氢站等基础设施的安全标准建设文件，车辆、船舶、发电站等应用场景下氢燃料电池系统的技术和检测标准，出台法规文件缩短加氢站及氢燃料电池项目从审批、建设到运营的时间历程。

本文转载自氢能和燃料电池公众号

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