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。氢燃料电池是实现氢能转换为电能利⽤的关键载体，在碳中和、碳达峰⽬标提出后，获得了基础研究与产业应⽤层⾯新的⾼度关注。
中国⼯程院欧阳晓平院⼠科研团队在中国⼯程院院刊《中国⼯程科学》2021年第4期发表《氢燃料电池技术发展现状及未来展望》，分析了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，凝练了我国发展氢燃料电池技术⾯临的问题，梳理了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。⽂章围绕氢燃料电池技术体系，分析了质⼦交换膜、电催化剂、⽓体扩散层等膜电极组件，双极板，系统部件，控制策略等⽅⾯的研究进展与发展态势；结合我国氢燃料电池技术领域国产化率、系统寿命、功率密度、制造成本等⽅⾯的发展现状分析，论证提出了⾯向 2035 年我国氢燃料电池技术系统发展⽅向。⽂章指出，为加速氢能及氢燃料电池技术应⽤，应加强制氢技术攻关，降低氢⽓燃料使⽤成本；加快关键材料和核⼼组件的技术攻关和转化应⽤；制定产业规划并增加投⼊，构建完备的政策⽀撑体系。
⼀、前⾔
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（140 MJ/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。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，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。近期的综述性研究⼯作，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
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（~1 min）、操作温度低（<100℃）、结构紧凑、功率密度⾼等成为研究热点
和氢燃料电池汽车迈⼊商业化进程的⾸选。MEA 装配⼯艺有热压法（PTFE 法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）和有序化⽅法等。热压法是第⼀代技术；⽬前⼴泛使⽤的是第⼆代的 CCM ⽅法，包括转印、喷涂、电化学沉积、⼲粉喷射等，具有⾼铂利⽤率和耐久性的优点；有序化⽅法可使 MEA 具有最⼤反应活性⾯积及孔隙连通性，以此实现更⾼的催化剂利⽤率，是新⼀代 MEA 制备技术的前沿⽅向。
1. 质⼦交换膜（PEM）
全氟磺酸膜是常⽤的商业化 PEM，属于固体聚合物电解质；利⽤碳氟主链的疏⽔性和侧链磺酸端基的亲⽔性，实现PEM 在润湿状态下的微相分离，具有质⼦传导率⾼、耐强酸强碱等优异特性。代表性产品有美国杜邦公司的 Nafion 系列膜、科慕化学有限公司的 NC700 膜、陶⽒集团的 Dow 膜、3M 公司的 PAIF 膜，⽇本旭化成株式会社的 Aciplex 膜、旭硝⼦株式会社的 Flemion 膜，加拿⼤巴拉德动⼒系统公司的 BAM 膜，这些膜的差异在于全氟烷基醚侧链的长短、磺酸基的含量有所不同。我国武汉理⼯新能源有限公司、新源动⼒有限公司、上海神⼒科技有限公司、东岳集团公司已具备全氟磺酸 PEM 产业化的能⼒。
轻薄化薄膜制备是降低 PEM 欧姆极化的主要技术路线，膜的厚度已经从数⼗微⽶降低到数微⽶，但同时也带来膜的机械损伤、化学降解问题。当前的解决思路，⼀是采⽤氟化物来部分或全部代替全氟磺酸
树脂，与⽆机或其他⾮氟化物进⾏共混（如加拿巴拉德动⼒系统公司的 BAM3G 膜，具有⾮常低的磺酸基含量，⼯作效率⾼、化学稳定性和机械强度较好，价格明显低于全氟类型膜）；⼆是采⽤⼯艺改性全氟磺酸树脂均质膜，以多孔薄膜或纤维为增强⾻架，浸渍全氟磺酸树脂得到⾼强度、耐⾼温的复合膜（如美国科慕化学有限公司的 NafionXL-100、⼽尔公司的 Gore-select 膜、中国科学院⼤连化学物理研究所的 Nafion/PTFE 复合膜与碳纳⽶管复合增强膜等）。值得⼀提的是，⼽尔公司掌握了 5.0 µm 超薄质⼦交换膜的制备技术， 2019 年投产世界⾸条氢燃料电池车⽤ PEM 专⽤⽣产线，在⽇本丰⽥汽车公司的 Mirai 汽车上获得使⽤。此外，为了耐⾼温、抗⽆⽔并具有较⾼的⾼质⼦传导率，⾼温 PEM、⾼选择性 PEM、⽯墨烯改性膜、热稳定 PEM、碱性阴离⼦交换膜、⾃增湿功能复合膜等成为近年来的研究热点。
2. 电催化剂
在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，被视为氢燃料电池的关键材料，决定着氢燃料电池汽车的整车性能和使⽤经济性。催化剂选⽤需要考虑⼯作条件下的耐⾼温和抗腐蚀问题，常⽤的是担载型催化剂 Pt/C（Pt 纳⽶颗粒分散到碳粉载体上），但是 Pt/ C 随着使⽤时间的延长存在 Pt 颗粒溶解、迁移、团聚现象，活性⽐表⾯积降低，难以满⾜碳载体的负载强度要求。Pt 是贵⾦属，从商业化的⾓度看不宜继续作为常⽤催化剂成分，为了提⾼性能、减少⽤量，⼀般采取⼩粒径的 Pt 纳⽶化分散制备技术。然⽽，纳⽶ Pt 颗粒
表⾯⾃由能⾼，碳载体与 Pt 纳⽶粒⼦之间是弱的物理相互作⽤；⼩粒径 Pt 颗粒会摆脱载体的束缚，迁移到较⼤的颗粒上被兼并⽽消失，⼤颗粒得以⽣存并继续增长；⼩粒径 Pt 颗粒更易发⽣氧化反应，以铂离⼦的形式扩散到⼤粒径铂颗粒表⾯⽽沉积，进⽽导致团聚。为此，⼈们研制出了 Pt 与过渡⾦属合⾦催化剂、Pt 核壳催化剂、Pt 单原⼦层催化剂，这些催化剂最显著的变化是利⽤了 Pt 纳⽶颗粒在⼏何空间分布上的调整来减少Pt⽤量、提⾼Pt利⽤率，提⾼了质量⽐活性、⾯积⽐活性，增强了抗 Pt 溶解能⼒。通过碳载体掺杂氮、氧、硼等杂质原⼦，增强 Pt 颗粒与多种过渡⾦属（如 Co、Ni、Mn、Fe、Cu 等）的表⾯附着⼒，在提升耐久性的同时也利于增强含 Pt 催化剂的抗迁移及团聚能⼒。
为了进⼀步减少 Pt ⽤量，⽆ Pt 的单 / 多层过渡⾦属氧化物催化剂、纳⽶单 / 双⾦属催化剂、碳基可控掺杂原⼦催化剂、M-N-C 纳⽶催化剂、⽯墨烯负载多相催化剂、纳⽶⾦属多孔框架催化剂等成为领域研究热点；但这些新型催化剂在氢燃料电池实际⼯况下的综合性能，如稳定性、耐腐蚀性、氧还原反应催化活性、质量⽐活性、⾯积⽐活性等，还需要继续验证。美国 3M 公司基于超薄层薄膜催化技术研制的 Pt/Ir(Ta) 催化剂，已实现在阴极、阳极平均低⾄ 0.09 mg/cm2的铂⽤量，催化功率密度达到 9.4 kW/g （150 kPa 反应⽓压）、11.6 kW/g （250 kPa 反应⽓压）。德国⼤众汽车集团牵头研制的 PtCo/ ⾼表⾯积碳（HSC）也取得重要进展，催化功率密度、散热能⼒均超过了美国能源部制定的规划⽬标值（2016—2020 年）。后续，减少铂基催化剂⽤量、提⾼功率密度（催化活性）及基于此⽬标的 MEA 优化制备，仍是降低氢燃料电池系统商⽤成本的重要途径。
3. ⽓体扩散层
在氢燃料电池的电堆中，空⽓与氢⽓通⼊到阴、阳极上的催化剂层还需要穿越⽓体扩散层（GDL）。GDL 由微孔层、⽀撑层组成，起到电流传导、散热、⽔管理、反应物供给的作⽤，因此需要良好的导电性、⾼化学稳定性、热稳定性，还应有合适的孔结构、柔韧性、表⾯平整性、⾼机械强度；这些性能对催化剂层的电催化活性、电堆能量转换⾄关重要，是 GDL 结构和材料性能的体现。微孔层通常由碳⿊、憎⽔剂构成，厚度为 10~100 µm，⽤于改善基底孔隙结构、降低基底与催化层之间的接触电阻、引导反应⽓体快速通过扩散层并均匀分布到催化剂层表⾯、排⾛反应⽣成的⽔以防⽌“⽔淹” 发⽣。因编织碳布、⽆纺布碳纸具有很⾼的孔隙率、⾜够的导电性，在酸性环境中也有良好的稳定性，故⽀撑层材料主要是多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维⽆纺布、碳⿊纸。碳纤维纸的平均孔径约为 10.0 µm，孔隙率为0.7~0.8，制造⼯艺成熟、性能稳定、成本相对较低，是⽀撑层材料的⾸选；在应⽤前需进⾏疏⽔处理，确保 GDL 具有适当的⽔传输特性，通常是将其浸⼊到疏⽔剂（如 PTFE）的⽔分散溶液中，当内部结构被完全浸透后转移⾄⾼温环境中进⾏⼲燥处理，从⽽形成耐⽤的疏⽔涂层。为进⼀步提⾼碳纤维纸的导电性，可能还会进⾏额外的碳化、⽯墨化过程。
在功能⾓度看，GDL 均匀地将反应⽓体从流场引导⾄催化剂层，确保组件的机械完整性，并以⼀定的速度排除阴极上的反应产物（⽔），防⽌阴极催化剂层发⽣“⽔淹”，也避免因失⽔过多导致阴极组件⼲燥⽽降低各离⼦的传导率。因此，发⽣在 GDL 上的过程有：热转移过程、⽓态输运过程、两相流过程、
电⼦输运过程、表⾯液滴动⼒学过程等。
GDL 是燃料电池的⽔管理“中⼼”，通过对⽔的有效管理，提⾼燃料电池的稳定性、经济性；燃料电池对⽔的控制可以通过⽔管理系统的增湿器或⾃增湿 PEM 来部分实现，但主要还靠 GDL 的作⽤。GDL 的厚度、表⾯预处理会影响传热和传质阻⼒，是整个氢燃料电池系统浓差极化、欧姆极化的主要源头之⼀；通常以减⼩ GDL 厚度的⽅式来降低浓差极化、欧姆极化，但也可能导致 GDL 机械强度不⾜。因此，研制亲疏⽔性合理、表⾯平整、孔隙率均匀且⾼强度的 GDL 材料，是氢燃料电池关键技术。
对 GDL 的研究，除了材料制备，还有关于压缩、冻融、⽓流、⽔溶造成的机械降解以及燃料电池启动、关闭及“氢⽓饥饿”时的碳腐蚀造成的化学降解等的性能退化研究。此外，为促进 GDL 材料设计与开发，研究者利⽤中⼦照相技术、X-ray 电⼦计算机断层描绘技术、光学可视化技术、荧光显微术等⼿段来可视化 GDL 材料结构和表⾯⽔的流动状态，并利⽤随机模型法、两相流模型数字化重构 GDL 宏观形貌（孔隙）结构；为研究 GDL ⽓ – 液两相流⾏为，较多运⽤双流体模型、多相混合模型、格点 Boltzmann ⽅法、孔隙⽹络模型、流体体积（VOF）法等。
GDL 技术状态成熟，但⾯临挑战是⼤电流密度下⽔⽓通畅传质的技术问题和⼤批量⽣产问题，⽣产成本依然居⾼不下；商业稳定供应的企业主要有加拿⼤巴拉德动⼒系统公司、德国 SGL 集团、⽇本东丽株式会社和美国 E-TEK 公司。⽇本东丽株式会社早在 1971 年开始进⾏碳纤维产品⽣产，是全球碳纤维产品的最⼤供应商，其他公司主要以该公司的碳产品为基础材料。
（⼆）双极板
氢燃料电池中的双极板（BPs）⼜称流场板，起到分隔反应⽓体、除热、排出化学反应产物（⽔）的作⽤；需满⾜电导率⾼、导热性和⽓体致密性好、机械和耐腐蚀性能优良等要求。基于当前⽣产能⼒， BPs 占整个氢燃料电池电堆近60% 的质量、超过 10% 的成本。根据基体材料种类的不同，BPs 可分为⽯墨 BPs、⾦属 BPs、复合材料 BPs。⽯墨BPs 具有优异的导电性和抗腐蚀能⼒，技术最为成熟，是 BPs 商业应⽤最为⼴泛的碳质材料，但机械强度差、厚度难以缩⼩，在紧凑型、抗冲击场景下的应⽤较为困难。因此，更具性能和成本优势的⾦属 BPs 成为了发展热点，如主流的⾦属 BPs 厚度不⼤于 0.2 mm，体积和质量明显减少，电堆功率密度显著增加，兼具延展性良好、导电和导热特性优、断裂韧性⾼等特点；当前，主流的氢燃料电池汽车公司（如本⽥、丰⽥、通⽤等品牌）都采⽤了⾦属 BPs 产品。也要注意到，⾦属 BPs 耐腐蚀性较差，在酸性环境中⾦属易溶解，浸出的离⼦可能会毒化膜电极组件；随着⾦属离⼦溶解度的增加，欧姆电阻增加，氢燃料电池输出功率降低。为解决耐腐蚀问题，⼀⽅⾯可在⾦属 BPs 表⾯涂覆耐腐蚀的涂层材料，如贵⾦属、⾦属化合物、碳类膜（类⾦刚⽯、⽯墨、聚苯胺）等；另⼀⽅⾯是研制复合材料 BPs。复合材料 BPs 由耐腐蚀的热固性树脂、热塑性树脂聚合物材料、导电填料组成，导电填料颗粒可细分为⾦属基复合材料、碳基复合材料（如⽯墨、碳纤维、炭⿊、碳纳⽶管等）。新型聚合物 / 碳复合材料 BPs 成本低、耐腐蚀性好、质量轻，是⾦属 BPs、纯⽯墨 PBs 的替代品。为了降低 BPs 的⽣产成本以满⾜实际需求，发展和应⽤了液压成形、压印、蚀刻、⾼速绝热、
模制、机械加⼯等制造⽅法。BPs 供应商主要有美国 Graftech 国际有限公司、步⾼⽯墨有限公司，⽇本藤仓⼯业株式会社，德国 Dana 公司，瑞典 Cellimpact 公司，英国 Bac2 公司，加拿⼤巴拉德动⼒系统公司等。
（三）氢燃料电池系统部件
为了维持电堆的正常⼯作，氢燃料电池系统还需要氢⽓供应系统、⽔管理系统、空⽓系统等外部辅助⼦系统的协同配合，对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空⽓压缩机。燃料电池在⼯作状态下会产⽣⼤量的⽔，过低的⽔含量会产⽣“⼲膜”现象，阻碍质⼦传输；过⾼的⽔含量会产⽣“⽔淹”现象，阻碍多孔介质中⽓体的扩散，导致电堆输出电压偏低。从阴极侧穿透到阳极的杂质⽓体（N2）不断积累，阻碍氢⽓与催化剂层的接触，造成局部“氢⽓饥饿”⽽引起化学腐蚀。因此，⽔的平衡对 PEM 氢燃料电池的电堆寿命具有重要意义，解决途径是在电堆中引⼊氢⽓循环设备（循环泵、
蚀。因此，⽔的平衡对 PEM 氢燃料电池的电堆寿命具有重要意义，解决途径是在电堆中引⼊氢⽓循环设备（循环泵、喷射器）来实现⽓体吹扫、氢⽓重复利⽤、加湿氢⽓等功能。
氢⽓循环泵可根据⼯况条件实时控制氢⽓流量，提⾼氢⽓利⽤效率，但在涉氢、涉⽔的环境下易发⽣“氢脆”现象，在低温下的结冰现象可能导致系统⽆法正常⼯作；因此，氢循环泵需要具有耐⽔性强、输出压强稳定、⽆油的性能，制备难度较⼤，制造成本昂贵。为此发展出了单引射器、双引射器⽅案，前者在
⾼ / 低负载、系统启停、系统变载等⼯况下不易保持⼯作流的稳定性，后者能适应不同⼯况但结构复杂、控制难度⼤。还有⼀些引射器与氢循环泵并联、引射器加旁通氢循环泵⽅案，也有着鲜明的优缺点。2010 年，美国技术咨询公司提出了⼀种氢循环系统设计⽅案，利⽤回流的尾⽓对注⼊氢⽓加湿（⽆需阳极增湿器），这代表了未来氢循环设备的发展⽅向。
氢燃料电池系统中的空⽓压缩机，可提供与电堆功率密度相匹配的氧化剂（空⽓），压⽐⾼、体积⼩、噪声低、功率⼤、⽆油、结构紧凑，常见的车载燃料电池空压机有离⼼式、螺杆式、涡旋式等类型。⽬前使⽤较多的是螺杆式空⽓压缩机，但离⼼式空⽓压缩机因密闭性好、结构紧凑、振动⼩、能量转换效率⾼等特点，较具应⽤前景。在空⽓压缩机的关键部件中，轴承、电机是瓶颈技术，低成本、耐摩擦的涂层材料也是开发重点。美国通⽤电⽓公司、联合技术公司、普拉格能源公司，德国 Xcellsis 公司，加拿⼤巴拉德动⼒系统公司，⽇本丰⽥汽车公司等都拥有商业化的空⽓压缩机产品系列。
（四）系统控制策略
氢燃料电池系统的寿命或耐久性，与系统控制策略密切相关。氢燃料电池汽车在启动时需要实时开启动⼒电源以获得⾜够的压⼒和反应⽓体；⽽在怠速或停⽌运转时，为了吹扫电堆内未反应完全的⽓体和产⽣的⽔，也需要开启动⼒电源，规避“⽔淹”“氢脆”、化学腐蚀等情况的出现。因此，在氢燃料电池汽车的启动 / 停⽌、怠速、⾼ / 低负载等随机性变化的⼯况条件下，应基于现有系统构造、燃料电池衰减机理，
优化控制策略来确保负载正常⼯作，进⽽维持氢燃料电池系统燃料（氢⽓、空⽓）供应流的均匀性、稳定性、热能与⽔平衡。近年来，在氢燃料电池系统（如 PEMFC）控制⽅⾯发展或应⽤了诸如模糊逻辑控制、神经⽹络控制、模糊逻辑 – ⽐例积分微分控制（FLC-PID）等⽅法，操作简单、低成本、不增加计算负担，是优化控制策略的前瞻⽅向。
三、我国氢燃料电池技术研发进展及重点发展⽅向
（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 3.8 kW/L，可在 –30 ℃低温条件下⾃启动，完成 6000 h 实车⼯况耐久性测试。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。PEM 已具有国产化能⼒，年产能可达数
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。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。
大连汽车展在产业发展⽅⾯，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 3.1 kW/L 全⾯提升到约 4.5 kW/L，乘⽤车、商⽤车电堆寿命将由当前的 5000 h、15 000 h 分别增加到 6000 h、20 000 h。
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 80 kW/套计算，可建⽴分析模型：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 2
8% 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 80 kW）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；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。
四、对策建议
（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、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 2~3 mg/cm2 催化剂 Pt 载量、3.7 美元 /kg 产氢成本的指标，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
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