氢能是风、光、水等可再生能源的重要转换枢纽，而在包含制、储、运、用多个环节的氢能产业链中，氢燃料电池作为将氢能转化为电能的关键技术，具有非常重要的地位。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池具有功率密度高、无电解质泄漏风险、可于室温下快速启停等优点，在交通、便携式发电、中小规模固定式发电等应用场景具有广阔的应用前景。本文主要总结分析了质子交换膜燃料电池的技术和市场发展现状，并对燃料电池未来的发展方向及面临的挑战进行展望。
01背景及燃料电池工作原理
2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”碳达峰、碳中和目标（以下简称“双碳”目标）不仅关乎中华民族永续发展，更是构建人类命运共同体的重要组成部分，具有重大战略意义。
在“双碳”目标的驱动下，风、光、水、氢等多种可再生能源在祖国大地上蓬勃发展。其中，氢能是各类可再生能源的重要转换枢纽。风、光、水等可再生能源无法储存且时空分布极其不均匀，为了实现发电端与用电端的匹配，储能技术必不可少。短周期短距离储能适合用储能电站实现，而长周期长距离储能的最佳载体就是氢能。氢能全产业链涉及制、储、运、用等多个环节，其中与我们的日常生活最接近的就是“用氢”环节。氢气作为能源既可用于驱动汽车，也可用于发电，而实现氢能与电能转换的关键装置就是氢燃料电池。
图1 质子交换膜燃料电池结构原理
（图源：Hydrogen Energy Engineering[M]. Springer, 2016）
燃料电池单体的电压不到1V，为提高输出电压，一般需将多个燃料电池单体堆叠串联组成燃料电池电堆。为了保证燃料电池的正常运行，还需要为电堆匹配附件系统，以持续向燃料电池供给合适温度、压力、流量、湿度的反应物，排出生成的水和热量。电堆和附件系统共同组成燃料电池系统，其中，用于车用场景的燃料电池系统由于作用与发动机相似，又被称为燃料电池发动机。
图2 典型燃料电池发动机外观结构图
（图源：北京亿华通科技股份有限公司）
02燃料电池技术现状
燃料电池技术由上到下可以分为燃料电池系统、燃料电池电堆、膜电极、关键材料（质子交换膜、催化剂、碳载体和气体扩散层等）多个层级，空间尺度从m级到nm级，涉及材料、催化、电化学、热力学、流体力学、系统科学等多个学科，是典型的交叉学科技术。从面向最终应用的角度考虑，燃料电池最主要的性能指标包括效率（经济性）、功率密度、寿命和成本四项，此外，用于交通领域的燃料电池还需满足低温冷启动的性能指标。
图3 Mirai二代燃料电池轿车
（图源：https://www.toyota.com/mirai/）
国际上燃料电池技术的代表企业为日本丰田和加拿大巴拉德，其中丰田代表了“金属双极板+乘用车"技术路线，巴拉德则代表了“石墨双极板+商用车”技术路线。丰田于2014年发布量产的Mirai燃料电池轿车，电堆峰值功率114kW，功率密度达到3.1kW/L，冷启动能力达到-30℃，寿命超过5000h（以性能衰退10%作为寿命终点），代表了当时国际最先进的技术水平。2021年丰田又发布了Mirai二代燃料电池轿车，电堆功率密度提升到5.4kW/L，寿命和冷启动能力也大幅提升。巴拉德则从2011年开始在美国进行燃料电池公交车示范运营，截至2018年，部分车辆累计运行时间已超过25000h[1]，燃料电池寿命达到17000h（以性能衰退20%作为寿命终点）。目前巴拉德最新一代燃料电池产品电堆功率密度达到4.2kW/L，冷启动能力为-20℃，寿命预计超过30000h（以性能衰退20%作为寿命终点）。
我国于2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中提出，到2030年，我国商用车燃料电池系统寿命预计达到30000h，冷启动温度预计达到-40℃，商用车系统成本预计低于1000元/kW[2]。当前我国燃料电池技术发展进入加速阶段，各项性能指标快速提升，已经与国际先进水平差距不大。石墨双极板燃料电池电堆功率密度普遍达到4kW/L，寿命达到15000h，以性能衰退20%作为寿命终点，金属双极板燃料电池电堆功率密度达到5kW/L，寿命达到10000h（以性能衰退20%作为寿命终点），石墨双极板和金属双极板燃料电池冷启动能力均达到-30℃。并且逐步建立了关键材料与零部件的自主产业链体系，成本快速下降，电堆成本降低到2000元/kW以下，系统成本降低到5000元/kW以下，在技术指标上已经具备了商业化应用的基本条件。
03燃料电池商业化发展现状
目前我国燃料电池推广应用已经逐步从示范运营阶段过渡到商业化的起步阶段，其中商业化进程最快的为车用领域。当前我国氢燃料电池汽车全部为商用车，这一方面是燃料电池自身的技术优势引导的，燃料电池汽车具有加注快、续驶里程长的特点，因此特别适用于长途、重载商用车，如重卡、客车、物流车等；另一方面是由我国的燃料电池发展战略决定的，燃料电池汽车的推广需要巨大的氢能基础设施建设投入，而商用车行驶路线比乘用车简单，对加氢基础设施的要求更低，因此我国选择了以商用车示范运营作为燃料电池商业化进程的起点，这一战略至今已取得了显著成效。截至2021年，我国燃料电池汽车保有量为8922辆，约占世界燃料电池汽车总保有量的18%，预计到2025年，我国燃料电池汽车保有量将达到50000辆[3]。
图4 2017-2021年我国燃料电池汽车保有量
（图源：中商情报网）
在我国目前的氢燃料电池汽车销量中，客车占绝大多数，占比达到95%以上[3]。然而如之前所说，由于燃料电池在长途重载领域更具竞争优势，因此预计卡车未来的占比会逐渐增加。
图5 2017-2021年我国燃料电池汽车保有量
（图源：中商情报网）
04燃料电池发展未来展望
当前我国新能源发展正处于多种技术路线激烈竞争的阶段，因此在燃料电池发展的道路上，挑战与机遇并存。在车用领域，燃料电池商业化的重点仍将是长途重载商用车。为了与纯电动技术路线以及燃油车竞争，燃料电池需进一步提高寿命、可靠性、效率，并降低成本。由于短期内氢气价格难以大幅下降，因此提高效率对于提高燃料电池的竞争力十分关键。同时，在航空、船舶等碳排放量大且减排相对困难的领域，燃料电池由于其自身技术优势，具有很大的应用潜力，应抓住机遇，提前布局，占领市场空间。而在发电领域，燃料电池应充分利用自身灵活性强的特点，着重布局于中小规模固定发电以及便携式发电场景。
另一方面，燃料电池的发展也离不开整个氢能产业的发展，只有氢能行业快速发展，燃料电池才具备茁壮成长的土壤。相信在国家政策利好以及技术进步的双重驱动下，燃料电池必能在“双碳”事业中发挥重要的作用！
