从六大方向布局中国燃料电池技术
后石油时代，氢作为能源载体逐步替代石油是人们提出的解决移动能源的方案之一。如今，以氢为燃料的燃料电池汽车已经成为新能源汽车的重要一种。
《2019年氢燃料电池热点回眸》从产业规划与政策、商业活动与应用、车用燃料电池技术进展等多个方面回眸2019年的产业情况，从而对未来的氢燃料电池技术提出六项建议。
氢是一种灵活的能源载体，氢除了可从化石原料制取外，还可由风能、太阳能、水利能等可再生能源转化而来，与可再生能源十分契合，是连接可再生能源与传统化石能源的桥梁。
作为未来能源变革的重要组成部分，氢能的利用可以促进建立新型清洁、高效的多元化能源体系。
以氢为燃料的燃料电池汽车是新能源汽车的一种，由于氢本身清洁、低碳、安全、高效的特征，氢能在汽车领域的应用对建立清洁、低碳、安全的交通能源体系、促进汽车工业的转型升级具有重要的意义。
01产业规划与政策
世界各国纷纷制定氢能与燃料电池汽车发展路线图。
欧洲提出了“清洁氢能欧洲伙伴计划”，指出2030年前将累计投资 520亿欧元，努力实现“500万辆燃料电池汽车、1300万家庭氢能供暖、60万吨氢用于工业高品质供热”的目标，从而减少8000万吨碳排放，同时创造85万个就业岗位。
美国车用燃料电池起步较早，美国能源部每个财政年度都有关于燃料电池方面的研究计划，美国加州是全球燃料电池汽车推广最为成熟的地区，乘用车保有量超过6500辆，规划2030年燃料电池汽车达到 100万辆。
亚洲的日本与韩国基于汽车工业的良好基础，在燃料电池汽车方面目前处于国际领先地位，丰田、本田、现代等大的汽车公司纷纷推出商品化的燃料电池汽车，借助国家财政补贴，价格达到同类传统车水平。
中国氢燃料电池汽车也迎来新的发展高潮，2019年中央政府各个部委均对氢能燃料电池非常关注。国务院总理李克强多次强调要推进氢能与燃料电池的发展。
各部委也纷纷布局氢能与燃料电池产业政策：
教育部把氢能技术应用作为能源动力与材料大类的新增专业；
工业和信息化部发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》（征求意见稿），布局燃料电池汽车整车技术创新链，开展燃料电池系统技术攻关，有序推进氢燃料供给体系建设，支持有条件地区开展燃料电池汽车商业化示范运行；
国家统计局2020年起将氢气纳入能源统计，氢燃料电池行业一直呼吁的将氢气纳入能源管理迈出了坚实的一步；
国家能源局公开向社会征集关于包括“氢能产业发展及其技术装备创新支撑研究”的四项课题承担单位，为提出中国未来氢能领域技术装备发展目标及制氢、储氢、运氢、用氢、氢安全方面的重点任务提供支撑。
02商业活动与应用
2019年，燃料电池汽车相关的商业活动非常活跃。
佛山市南海区发展和改革局、佛山市南海佛广公共汽车有限公司分4批进行燃料电池公交车采购招标，总计386辆，每辆燃料电池公交车单价最高限价 199 万元。
跨国企业纷纷进入中国，截至目前，约有39家跨国企业在中国氢能市场布局，包括氢的制取、储运、加氢站及燃料电池电堆、系统、电堆核心零部件、整车等企业。
燃料电池示范应用方面：
国内以商用车、物流车为主，多个城市建立了燃料电池公交车示范线。随着燃料电池技术的成熟，其应用场景也在不断扩大。
全球已有20座国际机场引入氢能与燃料电池应用示范，从穿梭巴士、叉车、行李搬运车到特种平台车辆、拖车等“特（种）高（频）大（型）”设备；机场可以集中部署加氢设施，可大幅提升运营效率，有效降低环境污染。
近年来，随着氢能产业不断发展与成熟，长续航、大载重的重卡领域被普遍认为是氢燃料电池未来重要的应用场景。
燃料电池轨道交通车也有了可喜的进展，世界首个氢燃料电池动力列车在德国运行，一次加氢可行驶1000km。
在舰船方面，根据国家交通运输部水科院的数据和专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约 400艘和200艘，氢燃料电池系统市场规模将达到200亿元。
氢燃料电池应用场景的扩大对于其上游产业变革与发展也起到了至关重要的作用。
氢的制储运加是燃料电池商业化重要一环，世界范围内都在推动燃料电池汽车上游产业。据不完全统计，全球已建、在建加氢站586 座；中国已经建成 61座，投入运营52座。
03车用燃料电池技术进展
不过，实现燃料电池汽车商业化还要进一步提高燃料电池性能，解决成本、耐久性等关键问题。
2019年在车用燃料电池基础研究与技术应用方面，国内外也取得了很多进展：
催化剂
电催化剂（catalyst）是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。
目前，燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C，由Pt的纳米颗粒分散到碳粉（如XC-72）载体上的担载型催化剂。
不过使用 Pt催化剂受资源与成本的限制，也存在稳定性问题，因此，针对目前商用催化剂存在的成本与耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低 Pt或非Pt催化剂是目前研究的热点。
质子交换膜
车用燃料电池中质子交换膜是一种聚合物电解质膜，在燃料电池中起着传导质子、隔离阴极和阳极反应物的重要作用，是燃料电池的核心器件，也是决定燃料电池性能、寿命及成本的关键部件。
在实际应用中，要求质子交换膜具有高的质子传导率和良好的化学与机械稳定性。
目前，全氟磺酸树脂（PFSA）是一种非常优质的质子交换膜。
因具有优良的热稳定性、化学稳定性、优异的质子导电性能、高的水传输性能等优势，为燃料电池膜在复杂工况下的长使用寿命提供了保障；增强材料为增强膜带优异的力学性能；全氟磺酸树脂支链上的亲水性磺酸基团可形成离子通道，使燃料电池质子膜具有优良的质子传导特性。
膜电极组件（MEA）
膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA）是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，也是燃料电池的核心部件之一。
目前，国际上已经发展了 3代MEA技术路线。
MEA制备技术路线
第一代是把催化层制备到扩散层上（GDE），通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟；
第二代是把催化层制备到膜上（CCM），与第一种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性，很多产品选择采用此代技术；
第三代是有序化的MEA，把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。第三代有序化膜电极技术国内外还处于研究阶段。
双极板
燃料电池双极板的作用是传导电子、分配反应气并协助排出生成水。
燃料电池常采用的双极板材料如图所示，包括硬碳板、复合双极板、金属双极板3大类。
双极板分类
硬质碳板需要机械雕刻流场，板较厚、较脆，体积比功率低，加工工序复杂，制造成本大，难以实现批量化生产，但导电、耐腐蚀性好，早期的制造商采用这种材料居多。
复合板分为材料复合与结构复合两种类型。
材料复合一般采用石墨粉与树脂混合或多孔石墨板浸渍树脂通过模压形成双极板。石墨粉与树脂混合的板制备时需要通过权衡导电性、致密性、强度等优化其组分、厚度；
结构复合型，一般采用层层复合结构，例如日本丰田公司的金属钛板与金属细网流场组合的空气侧极板、新源动力的不锈钢板与多孔石墨板模压流场组合的双极板。
金属是电与热的良导体，其作为双极板材料得到越来越普遍的应用，尤其是车辆空间限制（如乘用车），要求燃料电池具有较高的功率密度。薄金属双极板以其可以实现双极板的薄型化及本征的优良导电特性，成为了提高燃料电池功率密度的首选方案。目前，几乎各大汽车公司都采用金属双极板技术。
燃料电池电堆
燃料电池电堆（Fuel Cell Stack）是燃料电池发电系统的核心。
燃料电池电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。常见的均一性问题如由于操作过程生成水累积引起的不均一、电堆边缘效应引起的不均一等。
2019年公开发表的文献多集中于电堆运行的评测与诊断分析。采用 CFD分析和中子成像相结合的方法可获得PEM燃料电池内部的液态水分布，优化高电流密度条件下的排水。
在产品层次上，燃料电池电堆按采用的双极板可以分为硬碳板电堆、复合板电堆及金属双极板电堆。硬碳板电堆早期采用较多，由于比功率较低，加工成本高，随着量产规模的扩大，逐渐被后两种适合批量生产的电堆技术取代。
04中国燃料电池技术未来发展建议
燃料电池汽车虽然发展迅速，但从商业化要求角度，中国车用燃料电池技术上仍然存在一定差距，建议未来在以下6个方面进行布局。
1）提高燃料电池电堆性能与比功率
目前，国内燃料电池车电堆的功率级别还普遍偏低。
国际上乘用车的燃料电池功率级别一般在 100 kW左右，而商用车的燃料电池功率输出可以达到200kW以上。国内车用燃料电池堆主要以30~50 kW为主，功率等级普遍低于国际同类燃料电池车。因此，有必要提高性能、比功率，尤其是乘用车上有限的空间内要装载一定功率的燃料电池堆更需要高的性能与高比功率的电堆。
因此，要继续研发高活性催化剂、薄增强复合膜、导电耐腐蚀双极板等创新性材料，在膜电极方面，有序化膜电极要解决大电流下水淹问题，使其能够真正得到实际应用。
此外，也要考虑电堆结构优化，如通过3D流场可以改善大电流的传质极化，优化组装过程提高电堆的一致性有利于保证电堆高功率输出，将电池工作电流密度提高到2.0~2.5 A/cm²。
2）提高燃料电池的耐久性
提高燃料电池堆及系统的耐久性，是燃料电池商业化的前提。
耐久性的提高可以从两方面着手：
一是通过增强关键材料与部件的耐久性及新型耐腐蚀材料研发，提高电堆及系统的寿命；
二是通过合理的控制策略，规避对燃料电池劣化的不利的外部条件。目前，提高系统控制策略是提高燃料电池车耐久性的有效途径之一，如采用电-电混合方式可以使燃料电池工作平稳，避免由于电位扫描与工况波动对催化剂及膜材料带来的不利影响。
此外，启动停车过程的限电位控制策略可以减轻因在此过程中产生的高电位对催化剂载体的腐蚀，另外，在系统中加入车载在线阻抗测量，可以随时监控燃料电池水的状态，为采取相应的控制策略提供判据。
要发展适用于冷冻液冷却的电堆结构，提高低温适用性；通过氢气循环等手段，发展无增湿的简化燃料电池系统。
提高关键材料对高温操作的耐受性，提高电堆的工作温度，改进燃料电池车的排热，从90℃工作温度逐步研究大于100℃燃料电池，消除二相流影响，提高电堆耐久性。
3）降低燃料电池的成本
建议要发展低成本的材料与部件，例如低Pt催化剂与膜电极、低成本的双极板和系统部件，并实现量产，以降低电堆与系统成本。
成本的降低除了电堆自身的材料成本以外，制造过程产生的成本也是占有相当的比例，因此，要发展关键材料与部件的批量生产工艺与技术，摆脱部分材料完全依赖进口的局面，掌握核心技术，占领燃料电池车发展的战略制高点。
碱性阴离子交换膜燃料电池可以摆脱贵金属的依赖，是未来的重要研究方向。
此外，从降低成本的角度，提高功率密度可以降低燃料电池材料、部件等硬件消耗，也可以显著地降低燃料电池成本。
4）建立燃料电池堆技术联盟
建议尽快建立燃料电池堆技术联盟，由大的汽车公司牵头，包括汽车公司、零部件制造企业、材料制造企业、研究院所等产学研单位。
技术联盟的建立有利于全产业链均衡发展，有利于引导上游产业的发展，有利于增强本土产品在市场上的竞争能力。
建议促进国内已研发的新材料、部件装车示范运行，在实际中考核新材料、部件、电堆等性能、可靠性与耐久性，进一步建立批量生产工艺和生产线，完善产业链。
5）建立健全标准法规体系及第三方独立测试机构
目前氢能燃料电池方面的标准远不能满足产业快速发展的需求，在支撑行业发展的氢制备、储运、加注及实际工况下，氢燃料电池从部件到系统的评价检测体系等仍不健全，使得产业全链条下的产品推广受到严重的制约和限制。
亟需完善氢能燃料电池技术标准体系，建立完整的材料、部件、系统的有效检测体系，建立第三方独立的检测机构，对研究成果进行评估，为氢能燃料电池的技术发展、产品应用提供基础保障。
6）发挥政策的引导作用
燃料电池产业在由政策驱动到市场驱动的过渡期中，国家和各级政府的政策对产业的发展起到引导作用。
建议财政补贴要向核心技术倾斜，要从政策上鼓励具有核心技术又有长远发展规划和发展潜力的企业，尤其是填补国内空白的核心材料与零部件的企业，并加强监督管理，设立阶段性目标，提高政策的实施力度，有效地推进燃料电池产业发展。
此外，要注重发展核心技术，尤其要重视关键材料与部件的国产化。组织产、学、研对燃料电池关键核心技术联合攻关，高校及科研院所侧重从科学原理实现创新；企业则要从技术、产品上实现创新。
完善技术链、健全产业链，特别要关注上游关键材料的批量生产线，研制出符合市场需求的产品，使燃料电池产业健康、可持续发展。
