燃料電池是將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置，所用燃料以氫為主，還可使用甲醇、乙醇等，具有效率高（達60%）、噪聲低、污染小、應用廣等優點。燃料電池為模塊化設計，改變單電池或電堆數量就能形成不同功率等級的動力系統，軍民通用性好。

按照電解質類型劃分，燃料電池可分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。其中，質子交換膜燃料電池運行溫度低、啟動快，適用于潛艇、汽車等需要頻繁起停和變工況運行的情況，是目前發展的重點。從近五年數據看，不論是裝機容量或交貨量，質子交換膜燃料電池均占主要地位。2017年，質子交換膜燃料電池裝機容量約490兆瓦，其中近90%用于交通運輸。

圖1不同類型燃料電池的交貨量（左，單位：1000臺）和裝機容量（單位：兆瓦），數據來源：E4tech咨詢公司

按照用途劃分，燃料電池可用于便攜式設備（1W～20kW）、固定式發電（0.5kW～2MW）和交通運輸（1kW～300kW）領域。其中，交通運輸用燃料電池（汽車、火車、潛艇、無人系統）近年增長迅速，2017年裝機容量占總裝機容量的50%，約455兆瓦。其中，日本豐田和本田公司、韓國現代公司的產品數量超過3000臺，裝機容量近350兆瓦，占交通運輸用燃料電池裝機容量的75%。

圖2燃料電池的應用

氫源是燃料電池應用的關鍵，目前主要通過石油、天然氣、甲烷等裂解制備氫氣。此外，還可在合成氨、合成甲醇、石油煉制等過程中，將氫氣作為一種副產品生產和分離；或利用甲醇、氨等分解制氫；或利用水電解制氫，目前應用較廣、技術比較成熟，但能耗過高。儲氫方式包括高壓氫氣、金屬氫化物、液氫三種。高壓氫氣（使用35Mpa或70Mpa儲氫罐）用于汽車、無人機等多數領域；金屬氫化物安全性好，多用于潛艇；液氫儲存困難，用于火箭發動機，燃料電池使用較少。

（一）燃料電池的軍事應用包括潛艇AIP（不依賴空氣推進）、無人潛航器、無人機等

燃料電池AIP已裝艇使用，占國外潛艇AIP系統使用總量的60%，是潛艇AIP的重要發展方向。德國的212型/214型潛艇、俄羅斯第五代常規艇（在建）、西班牙S80潛艇（在建）、法國“短鰭梭魚”型潛艇（設計階段）均已使用或確定使用燃料電池AIP+柴油機動力型式。日本防衛省也在研發潛艇燃料電池動力系統，很可能用于下一代潛艇。

圖3法國“短鰭梭魚”潛艇概念圖

燃料電池AIP在效率、隱身性、續航力等方面具有明顯優勢。與熱氣機、閉循環蒸汽輪機等AIP系統相比，燃料電池的優勢主要體現在：①效率高達60%，約為其他AIP動力系統的2倍，耗氧量低；②不使用旋轉或往復運動系統，機械噪聲小，聲隱身性好；③質子交換膜燃料電池工作溫度低于200℃，排氣溫度低，紅外隱身性好。與鋰離子電池相比，只要潛艇攜帶足夠多的氫氣（或其他燃料），燃料電池系統的續航力理論上可遠高于鋰離子電池。

無人潛航器可使用燃料電池代替蓄電池，提高續航力。目前無人潛航器續航力僅為10-40小時，已經成為限制其大規模部署的瓶頸問題，美國海軍研究署希望通過燃料電池技術，將無人潛航器續航力提高至70天，相關系統仍處于研發階段。

燃料電池適用于中小型無人機，可提高續航力、降低故障率。美海軍“離子虎”無人機使用550W的燃料電池后，續航力為26小時，是同等重量蓄電池的6.5倍。美軍“掃描鷹”無人機換裝燃料電池系統后，故障率降低至1/5。

（二）燃料電池的商業應用包括汽車、固定式發電等。

與純電動車相比，燃料電池汽車的續航里程長、加氫時間短，日本發展最為迅速。已上市的燃料電池汽車包括豐田Mirai燃料電池汽車、本田Clarity燃料電池汽車、現代ix35燃料電池版。美國通用汽車公司也與陸軍裝備司令部坦克機動車輛研發與工程中心（TARDEC）聯合研發了雪佛蘭科羅拉多ZH2燃料電池汽車，用于夏威夷軍事基地。此外，戴姆勒、寶馬、大眾等車企也在研發車用燃料電池。豐田Mirai于2015年上市，是最早開始商業化的燃料電池汽車，有出售和租賃兩種銷售模式，售價目前約6萬美元左右（政府還會補貼約2萬美元），續航力約600公里，性能媲美汽油車。

燃料電池固定式發電應用包括發電站、家用熱電聯產系統、備用電源等。燃料電池發電站以美國、韓國發展最為迅速。韓國建成了多個燃料電池發電廠，其中華城燃料電池園是目前世界最大的燃料電池發電站，配備21座功率為2.8MW的燃料電池（美國燃料電池能源公司提供技術支持），總功率達到59MW，可為13.5萬戶家庭提供電力。家用熱電聯產系統從城市煤氣中制氫，由燃料電池發電，產生的熱量用于加熱水，可以不依賴電網獨立運行。主要產品包括日本的Ene.Farm系統和歐洲的Ene.Field系統。燃料電池還可用作通信基站或發電廠備用電源，在惡劣天氣下保證通信和電力供應。

國外燃料電池供應商主要分布在美國、日本、歐洲、澳大利亞，已經形成了制氫、儲（運）氫、燃料電池組件及組裝、燃料電池應用的全產業鏈體系。國外質子交換膜燃料電池巨頭包括加拿大巴拉德公司、美國普拉格能源公司等，涵蓋固定式發電、叉車和汽車燃料電池等領域；固體氧化物燃料電池公司主要包括美國BE布盧姆能源公司和澳大利亞CFCL公司，涵蓋新能源分布式發電和小規模熱電聯產等領域。車用燃料電池是當前發展熱點，以日本豐田為代表的日本、德國、韓國公司已經推出車用燃料電池產品，豐田公司計劃至2020年將燃料電池汽車銷量提高至3萬輛。軍用產品方面，德國西門子公司、美國UTC公司、巴拉德公司下屬的Protonex公司等已經為潛艇、無人潛航器、無人機發展了燃料電池動力系統，部分已經裝備使用。

我國從上世紀50年代開始發展燃料電池，經過“七五”到“十二五”的多年發展，國內在質子交換膜燃料電池的各組件研發方面均取得了較大的進展，其中催化劑（清華大學、長春應用化學研究所等）、質子交換膜（清華大學等）、雙極板（天津電源研究所、大連化學物理研究所等）、電解質（吉林大學、上海交通大學等）均有所突破，也初步形成了以大連新源動力、上海神力科技、三環集團等為代表的燃料電池研制生產企業，但總體來看仍存在一些問題。

（一）國內燃料電池核心組件和關鍵系統輔件仍依賴進口，不具備批量生產能力，成本居高不下。燃料電池的核心組件包括電解質膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等，系統輔件包括空壓機、增濕器、氫循環系統、電源轉換器。其中，質子交換膜由美國杜邦公司、3M公司、日本旭化成公司、比利時索爾維公司等國外巨頭壟斷；燃料電池需使用鉑催化劑，且要從美國3M公司、英國莊信萬豐公司、德國BASF公司、日本田中公司、比利時優美科公司等進口，成本很高；氣體擴散層（碳紙）方面，日本東麗公司、加拿大巴拉德公司、德國SGL公司等廠商已具備流水線生產能力，國內仍未大規模批產；我國在燃料電池系統輔件中的加濕器、氫循環系統方面處于空白狀態，全部依賴進口。以目前最常用的杜邦公司Nafion質子交換膜為例，成本約為400美元/m2，一般每輛氫燃料電池汽車需要20m2的質子交換膜，整車僅質子交換膜成本就需8000美元（約5.3萬人民幣），燃料電池整體成本居高不下。

（二）國產燃料電池的壽命、功率密度、低溫冷啟動等性能與國外仍有一定差距。目前國產燃料電池壽命目前普遍不足3000小時，而國外可達10000小時；國內燃料電池系統功率密度僅為260W/kg，國外可達650W/kg；國內系統最低啟動溫度需-10℃，而國外可低至-30℃。

（三）國內生產規模遠低于國外。國外質子交換膜燃料電池的主要承包商包括加拿大巴拉德公司、美國普拉格能源公司和加拿大Hydrogenics公司等，業務全面涵蓋汽車動力和固定式電源領域，僅巴拉德一家公司的燃料電池年出貨容量就達到250MW，而國內仍未形成產業規模，年出貨容量不足20MW。

（四）國內軍用燃料電池仍處于試驗階段，而國外早已使用。德國早在2005年服役的212級潛艇上就應用了功率為306kW的燃料電池系統，國內常規潛艇使用熱氣機，“十二五”期間，中船重工712所、大連化物所、上海微系統所開展了60kW級燃料電池的地面試驗，但仍未達到裝艇應用水平。

根據初步判斷，國內燃料電池產業仍處于發展初期，仍未形成成熟的產業鏈。目前，在國家政策扶持、加大投入和補貼的狀態下，大批公司和機構開始布局燃料電池產業，但燃料電池產業鏈龐大、研制生產機構眾多，仍需長期、動態跟蹤相關技術、產品、產業的發展。下一步我們將持續關注燃料電池行業發展情況，及時梳理典型經驗，擬開展以下工作：

（一）赴相關地區、研究機構、企業進行實地調研，及時了解燃料電池技術狀態、理清發展難點、明確企業訴求，不斷總結產業發展中經驗教訓，更好地促進燃料電池產業軍民融合發展。

（二）根據研究機構和企業實際需要，積極協調推動國防科工局、軍委裝備發展部、工信部等單位，加大對燃料電池關鍵技術研發和工業化的支持力度，共同助力燃料電池產業持續快速發展。

本網轉載自其它媒體的文章及圖片，目的在于弘揚石油化工精神，傳遞更多石油化工信息，宣傳國家石油化工政策，推廣石油化工企業品牌和產品，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，在此我們謹向原作者和原媒體致以敬意。如果您認為本站文章及圖片侵犯了您的版權，請與我們聯系，我們將第一時間刪除。