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氢燃料电池具有高效率、低噪音、零污染等技术优势。 与传统干蓄电池相比，其系统更加复杂，由膜电极组件（MEA）、双极板（BP）和系统组件组成。
1.1 膜电极组件
膜电极组件（MEA）是电池中H2和O2发生电化学反应的场所。 它对燃料电池的整体性能起着决定性的作用。 它主要由质子交换膜（PEM）、催化层、气体扩散层（GDL）和密封件组成。 框架等材料（图1）。 膜电极制备方法的发展经历了热压法（GDE）、直接喷涂法（CCM）和有序MEA制备技术三个创新。 GDE和CCM方法是目前主流的膜电极制备技术。 它们具有较高的催化利用率，可以有效降低电荷转移引起的接触电阻和极化，大大提高电池性能。 有序膜电极是第三代膜电极制备技术。 除了结合前两者的优点外，还可以显着降低Pt负载量，提高膜电极的耐用性。 然而，有序膜电极技术尚不成熟，离商业化生产还很遥远。
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1.1.1 质子交换膜
PEM具有传导质子、隔离电子、隔离氢气和氧气的特性，对电池性能和寿命具有决定性影响。 PEM能有效弥补传统阳离子交换膜的缺点：①质子传导率高，水分子电穿透力低； ②化学稳定性好； ③干湿转换性能好，尺寸变化率低，机械强度高； ④可加工性好，价格适中。 由于质子交换膜制备工艺复杂、技术要求高，美国、日本等少数厂家长期垄断市场，在关键技术和原材料供应方面拥有绝对优势。 未来，质子交换膜将在材料、改性、免加湿技术等领域不断取得突破。 但由于投资成本较高，如何最大限度降低成本、提高效率是未来PEM的重点发展方向。
1.1.2 催化层
现阶段常用的氢燃料电池催化剂包括Pt、Pt改性和非Pt基催化剂。 非Pt基催化剂由于活性较差，其发展相对滞后。 Pt或Pt改性催化剂(PtM)因其催化活性强、纳米分散度高、耐久性高等优点已进入商业应用阶段。 其催化剂结构如图2所示。目前，国内铂基催化剂产业已初具规模。 其中国家电投氢能源、庆东科技、吉平新能源等公司已形成自主产品，并已批量应用于氢燃料电池产品。
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1.1.3 GDL
GDL的主要功能是电流传导、散热和反应物供应。 它不仅具有较强的导电性和热稳定性，而且还具有良好的柔韧性和表面光滑度，这是决定催化层活性的关键因素。 GDL也是氢燃料电池的水控制系统。 有效的水管理和控制可以大大提高燃料电池的经济性和耐用性。 此外，气体扩散层的表面平整度和厚度对系统的传热传质影响很大，这是氢燃料电池系统出现浓差极化的主要原因。 目前，大多数人采用减薄方法来补偿浓差极化问题。 但由于机械强度、柔韧性等因素，效果不佳。 如何开发孔结构均匀、亲疏水性能合理、强度高的GDL材料是未来该领域的主要方向。
1.2 双极板
双极板的主要功能是支撑MEA，为H2、O2和冷却剂提供流体通道，收集电子、传递热量等。因此，双极板具有较强的传热性、耐腐蚀性和热膨胀系数。 按材料可分为石墨、金属和复合双极板三类。 目前，石墨双极板由于具有较高的耐腐蚀性和稳定性，生产规模最大。 但它们存在机械性能差、体积大、生产周期长、生产效率低等缺点。 金属双极板较好地弥补了石墨双极板面临的瓶颈问题，成为现阶段主要发展方向。 但由于双极板所用金属材料的可塑性和高温活性性能较差，工业化量产困难，开发过程困难。 基于此，许多学者提出了复合双极板技术。 研究表明，复合双极板具有耐腐蚀、体积小、重量轻等多重优点。 但由于价格高、电导率低等技术障碍，目前仍处于实验室验证阶段。
1.3 辅助系统
氢燃料电池系统是一个相对复杂的装置，由电堆和辅助系统（BOP）组成。 辅助系统精确控制电堆内反应气体的压力流量、温湿度环境和功率。 主要设备包括空气压缩机、氢气循环装置、氢气注射器等。
(1)空气压缩机
空气压缩机被称为氢燃料电池的肺。 一般采用小型无油空气压缩机。 目前，离心式空气压缩机因其结构紧凑、密封性好、振动低而成为主流。 我国氢燃料电池空压机发展迅速，并已基本实现国产化。
(2)氢气循环装置
氢气循环装置是氢燃料电池的关键部件。 它主要由氢气喷射器和氢气循环泵组成。 起到提高燃料利用效率和电堆性能的作用。 国内厂商长期以来一直在积极发展氢气喷射器相关产业。 主要生产厂家有德然动力、未来能源、浙江宏盛等。
(3) 氢气注射器
氢气注射器是控制氢气流量和压力的装置。 它通常使用脉宽调制 (PWM) 方波信号进行控制。 氢气喷射装置通常是由多个并联的喷射器和串联的安全阀组成的组件。 目前，我国已基本实现氢喷射器的国产化和自主化。
(4) DC/DC转换器
DC/DC转换器和控制器将氢燃料电池产生的能量转移到电机控制器（MCU）等，并在燃料电池和锂电池之间有机分配能量，以实现最佳的能源效率。 现阶段，国产氢燃料电池DC/DC变换器已占据大部分市场，基本能满足氢燃料电池系统在各功率范围的需求。 但芯片、电容器等零部件仍依赖进口。
(5)加湿器
由于自加湿技术实现起来比较困难，加湿器仍然是大多数系统中的重要组成部分。 受技术门槛高、市场需求低等因素影响，加湿器国产化进程缓慢。 美国Perma Pure、韩国科隆等国外企业仍占据较大市场份额。
2 氢燃料电池技术应用
2.1 汽车领域
氢燃料电池汽车具有无噪音、无污染、动力大等特点，具有广阔的应用前景。 它们的工作原理是：高压储氢瓶中的H2通过供氢装置输送到燃料电池系统，与空气中的O2相互作用产生电能，然后与辅助电源一起使用，实现互补供电，然后电机驱动传动装置驱动车辆前进。 从结构上看，氢燃料电池汽车由储氢罐、燃料电池电堆、驱动电机等组成（图3）。 氢燃料电池汽车的进步在于氢燃料电池发动机取代了传统的驱动装置，并增加了储氢系统、加氢口和H2安全报警装置。
1966年，美国通用汽车公司设计出世界上第一辆氢燃料电池汽车。 可提供32kW的稳定功率输出，开启氢燃料电池汽车的发展。 21世纪初，氢燃料电池汽车研发大旗被日本、韩国接过，多家国际知名汽车厂商相继进入该领域的研发工作。 但与国外相比，国内氢燃料电池汽车仅有小批量采购订单，且属于示范项目。 此外，积累的实际道路运营数据较少，尚未进入大规模商业运营阶段。 此外，国内氢燃料电池发动机基本应用于商用车。 乘用车方面，仅形成原型车，尚未量产。
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2.2 船舶领域
为了实现船舶零碳、零污染，多种零碳船舶动力技术路线应运而生。 其中，氢燃料电池具有无排放、无污染、续航时间长等特点。 应用于船舶具有独特的优势，主要表现在：①氢燃料电池的排放物仅为水，没有高温燃烧过程，因此不排放任何碳、氮、硫化物； ②与锂电池船舶相比，氢燃料电池船舶在续航能力和快速加注时间方面具有显着优势。 ; ③ 能效转换率远高于传统功率器件； ④氢燃料电池输出功率变化快，对负载变化敏感，应用范围更广。
目前，美国、日本、欧盟等多个国家和地区都在氢动力船舶领域开展了相关研究，如德国的氢燃料电池客船Hydra、日本的氢燃料电池赛艇“”以及美国的氢燃料电池客船“Water-Go-Round”号等。中国的氢燃料电池船舶正处于工程示范阶段。 2021年初，大连海事大学新能源船舶动力技术研究院牵头建造我国首艘氢燃料电池游轮“冲湖”号并通过试航，标志着我国氢燃料电池的进步。 船舶动力在船舶实际应用中迈出了关键一步。
2.3 航空领域
氢航空被认为是未来航空业实现污染物零排放和可持续发展的关键。 由于大型客机对氢燃料电池能量密度、氢燃料储存与加注、氢安全等要求较高，短期内可实现客机大型化。 氢燃料电池飞机的应用难度很大。 由于其经济、操作便捷的特点，无人机的产业链正变得越来越广泛。 氢燃料电池具有低噪音、环保、电池寿命长等特点，在无人机领域具有广阔的应用空间。 与其他类型的动力系统相比，氢燃料无人机的主要优势包括：①清洁、低碳、环保； ② 使用寿命长、承受能力强； ③ 填充时间短，生命周期内性能下降小； ④ 无振动、低噪音、红外信号。
国内已有多个氢燃料电池无人机示范项目，包括英国公司推出的平台型氢燃料电池无人机、挪威公司研发的BG-200氢燃料电池无人机、美国海军试验成功的混合动力无人机等。此外，德国、日本、韩国等国家也相继在氢动力无人机领域开展实践。 近年来，国内多家高校和企业开展了氢燃料电池无人机的项目实践，氢燃料电池无人机已在巡航、警务、救援、气象等领域得到应用。
2.4 其他领域
现阶段，我国针对氢燃料电池在轨道交通车辆上的应用开展了多项研究和示范作业，其中以有轨电车的研究和应用最为成熟。 2019年，我国首辆氢动力有轨电车在广东省佛山市上线，拉开了我国氢燃料轨道交通车辆发展的序幕。 此外，氢燃料电池具有红外信号差、无噪声等优点，使得其在军用车辆领域也具有一定的应用前景。 随着氢燃料电池技术的进一步发展，相信其应用领域有望进一步扩大。
3 氢燃料电池产业面临的挑战与对策
3.1 挑战
氢燃料电池作为新兴产业，与未来交通、航天、军事等行业的发展密切相关，但在大规模推广应用方面仍面临诸多挑战。
（1）从产业规模和市场环境来看，目前氢燃料电池在航空航天、交通领域的应用还处于实验阶段，尚未能够实现大规模商业应用。 此外，我国尚未建立全国性氢燃料电池市场，各省区发展不平衡，产品消费“壁垒”突出。
（2）从技术装备来看，航空、大型运输车辆、巨型油轮现有的发动机结构不适合燃烧氢气。 此外，氢燃料燃烧时会产生过量的NOx，容易发生回火，导致氢气难以稳定。 燃烧。
（3）从经济角度看，随着相关技术不断成熟，氢燃料电池的研发成本不断下降，但仍明显高于锂电池技术。 此外，氢燃料电池使用的主要材料是Pt等贵金属，这也相应增加了氢燃料电池的研发和生产成本。
（4）从储氢安全角度来看，车船储氢是限制其发展的主要难点。 由于大型车辆和船舶续航时间长、耗氢量大，必须协调储氢密度、安全性和储氢成本来平衡，因此开发了自适应高性能储氢系统。
（五）从产业发展来看，虽然我国燃料电池产业近年来取得了长足进步，但关键材料部件仍存在“卡壳”问题。 氢燃料电池关键材料高度依赖进口，未来需要尽快打破国外垄断。
3.2 促进氢燃料电池发展的对策建议
3.2.1建立健全顶层规划、法规和政策体系
国家将牵头，对氢燃料电池明确战略定位，结合国情制定长期发展意见和规划。 同时，还将出台相应的法律法规和优惠政策，鼓励和激励地方政府和企业结合自身实际，制定具体、科学、有效的氢燃料电池发展路线。
3.2.2加大氢燃料电池核心技术研发
以掌握先进氢燃料电池技术的大型企业为榜样，聚焦核心业务，加大工艺和技术研发力度，自主开发氢燃料电池关键材料解决方案，确保氢燃料电池的持续创新和升级。技术。 多方面突破了氢燃料电池在陆地、海洋、航空等不同领域的技术壁垒。
3.2.3氢燃料使用成本稳步降低
加大中央财政资金对氢燃料电池技术研发和成果转化的财政支持和补贴力度。 与研究机构、大学等合作，共同研究降低成本核心技术，开发培育低成本氢燃料电池技术。
3.2.4 巩固氢燃料储存和安全监控体系
建立完善的氢气监测系统和安全辅助装置，保证氢燃料电池安全运行，同时还为系统提供过温、过压保护，一旦发生预警，可以快速切断电源防止事故发展，从源头上控制事故的发生。 氢气使用安全稳定。
3.2.5加强优势研发资源与产业资源整合
统筹政府、地区、企业不同优势，广泛动员交通、军工等不同领域力量，共同推动氢燃料电池规模化发展目标的实现。 同时利用现有实用氢燃料电池技术与其他氢电技术互通，构建完整的产业链和供应链，实现氢燃料电池的共产、共建、共享。
4 结论与展望
氢燃料电池清洁、零碳、安全、高效、用途广泛。 它们可以替代汽油和柴油，在汽车、船舶、飞机等高机动性现代交通运输工具中发挥重要作用。 不过，在行业蓬勃发展的同时，也应该看到，我国氢燃料电池产业还处于起步阶段。 目前还存在缺乏中长期定位和规划、核心技术和材料高度依赖进口、氢燃料电池制造成本高等问题。 基础设施建设不足等困难。 一方面，我国应充分学习国外氢燃料电池先进技术，求同存异，取长补短，缩小差距，形成符合我国氢燃料电池发展战略和研发体系。其国情。 另一方面，加大对国内氢燃料电池的财政投入和政策支持，加强跨行业、跨区域协作，构建全球联动机制，集中力量研究氢燃料电池关键装备和核心材料，快速实现其本土化和全行业独立。
目前，国内氢能产业发展正处于降本增效、技术创新、协同推进的初步探索阶段。 氢能产业链上下游协同联动效应尚未完全显现。 燃料电池汽车成本何时下降？ 氢能核心技术问题何时能攻克？ 氢能应用何时才能真正开花结果等问题逐渐浮出水面……
