氢燃料电池：能源转型下的 “技术尖兵” 与“绿色引擎”

氢燃料电池是目前氢能产业中技术最成熟、应用最广泛的核心产品之一，在全球积极应对气候变化并大力推动能源转型的背景下，氢燃料电池作为一种高效且清洁的能源转化设备，成为各国政府、科研机构和企业开展能源技术攻关的重点方向，并推动其在多个领域的应用和商业化进程。根据电解质的不同，氢燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。不同类型的氢燃料电池在工作温度、电解质特性、催化剂要求、燃料适应性以及应用场景等方面存在差异，各自具有独特的优势和局限性。随着技术的不断进步，各类燃料电池都在不断优化和改进，以提高性能、降低成本，拓展其应用领域。

当前，氢燃料电池产业的发展面临诸多难题和挑战，亟待各方合力破解。深入研究氢燃料电池的发展现状、应用前景及挑战，对于把握其发展趋势、政策制定及产业投资决策具有重要意义。

（来源：中国电力企业管理 作者：孙佳为 作者单位：中关村储能产业联盟）

氢燃料电池的核心优势

零碳排放，全生命周期清洁

氢燃料电池通过电化学反应使氢气与氧气结合，结果只产生水（H2O），而不会排放氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）或颗粒物（PM）。如果搭配可再生能源制氢(绿氢)，可以实现“从制氢到用氢”的全链条零碳，而传统电动汽车通过大网电充电时，依然存在间接碳排放。

高效能与长寿命

氢燃料电池系统效率可达50%~60%，远超燃煤发电（30%~40%）和内燃机（20%~35%）。如果与废热回收相结合，可以将综合效率提高到80%以上。燃料电池电堆寿命已突破3万小时（商用车场景），储能系统循环次数超1万次，远高于锂电池（约5000次），适合长期稳定运行的场景。

燃料来源广泛，适配多元场景

氢能可通过多种方式获取，如化石燃料重整(蓝氢，配套碳捕集)、工业副产提纯氢、可再生能源电解水(绿氢)等，以适应不同区域的资源禀赋。燃料电池系统可在-30摄氏度至80摄氏度的宽温域运行，低温启动性能优于锂电池，适合高寒地区或高温高湿场景。

基础设施兼容性与扩展性

氢气可通过管道、槽车、船舶等方式运输，与天然气管道网络兼容（掺氢比例可达15%~20%），降低基础设施改造成本。燃料电池技术可衍生至氨燃料、甲醇重整制氢等领域，为未来“氢能-氨能-甲醇”多元能源体系提供技术储备。

氢燃料电池的应用前景

交通运输领域

燃料电池汽车。氢燃料电池汽车的特点是零排放，并且加氢时间较短，通常仅需3到5分钟。因其加油时间与传统燃油车相似、续航里程较长（部分车型续航可达到500~800公里甚至更长）等优势，电动汽车被视为未来汽车产业实现可持续发展的重要抓手。在乘用车领域，随着技术的不断进步和成本的逐步降低，越来越多的汽车制造商推出了燃料电池汽车车型。在商用车领域，无论是长途物流运输还是城市巴士，燃料电池车都有得天独厚的优势，可显著降低碳排放，减少对石油的依赖，且在续航里程和加氢时间上更具优势，能够满足长途运输的需求。在城市公交领域，燃料电池公交车具有零排放、噪音低等优点，可有效改善城市空气质量，提升居民的出行环境。

燃料电池船舶。船舶运输是全球货物运输的主要方式之一，但传统船舶大多以柴油为燃料，排放的污染物和温室气体对环境造成了严重影响。氢燃料电池应用于船舶领域具有广阔的应用前景，是一种清洁高效的动力源。燃料电池船能有效降低对港口及沿海地区的环境污染，具有零排放、低噪音、低振动等优点。另外，燃料电池船具有较高的能源转换效率，可以减少营运费用。目前，一些小型燃料电池船舶，如观光船、渡轮等已经实现了商业化应用，而大型远洋燃料电池船舶的研发也在积极推进中。

燃料电池轨道交通。在轨道交通领域，氢燃料电池同样显示出其潜在的应用价值。与传统的电力牵引轨道交通相比，燃料电池轨道交通具有不受接触网限制、可实现灵活编组和运营等优点。同时，燃料电池轨道交通车辆在运行过程中零排放，有助于改善城市空气质量。目前燃料电池轨道交通的示范项目已在一些国家和地区开展，如氢燃料电池电车已在德国部分城市投入使用，为燃料电池在轨道交通领域的应用积累了经验。随着技术的进一步开发和优化，未来燃料电池轨道交通有望得到更大的普及。

燃料电池航空。在全球运输体系中，航空运输是重要的一环，也是主要的温室气体排放源之一。作为一项清洁能源技术，氢燃料电池提供了可持续发展的航空业新方案，能够明显降低航空运输对环境的影响，具有零排放、低噪声等优点。与传统的航空燃油相比，氢气的能量密度更高，理论上可以使飞机实现更长的续航里程。目前，燃料电池在航空领域的应用还处于起步阶段，主要集中在小型无人机和轻型飞机的研发和试验中。

分布式发电领域

热电联供应系统。可同时提供家庭所需的电力和热水，实现能源的高效利用。该系统通常以天然气或氢气为燃料，在加热生活热水或室内采暖时，将化学能量通过燃料电池的电化学反应转化为满足家庭用电需求的电能，同时将燃料电池产生的废热回收再利用。与传统的集中供电和供热方式相比，家庭热电联供系统具有更高的能源利用效率（可达80%以上）、减少输电损失、降低对电网的依赖，并且能够实现分布式能源供应等优势。例如日本在家庭热电联供体系的推广上成绩斐然，大量的家庭都安装了燃料电池热电联供装置，使家庭能效得到有效提高，能耗和碳排放量都得到了降低。

小型商业电站。针对一些对电力供应的稳定性和可靠性有较高需求的小型商业用户，例如医院、数据中心和酒店等，氢燃料电池小型商业电站是一个理想的备用电源或分布式发电解决方案。燃料电池小型商业电站可以在电网停电时迅速启动，为关键设备提供持续的电力供应，保障商业运营的正常进行。同时，燃料电池发电站也可作为分布式电源，在电网正常供电的情况下接入电网，将多余电量输送至电网，实现电力双向流动。随着可再生能源制氢技术的发展，使用绿氢作为燃料的燃料电池小型商业电站可以实现全生命周期的零碳排放，更加符合可持续发展的要求。

氢燃料电池发展面临的挑战

技术瓶颈

氢燃料电池阴极需要使用大量铂基催化剂来催化氧还原反应，虽然目前主流的铂基催化剂具有很高的活性，但铂金资源的稀缺性和昂贵使得燃料电池的成本大大提高。尽管非铂基催化剂研发已经取得进展，如过渡金属氮化物等新型催化剂，但在活性和稳定性方面仍与铂基催化剂存在较大差距。非铂基催化剂在实际工况下，易受环境因素影响，造成活性衰减快、寿命短，难以满足长时间稳定运行的需要，使氢燃料电池的大量使用受到限制。

现有的质子交换膜，虽然性能较好但费用较高，质子传导率、机械强度、化学稳定性在高温、高湿度或低湿度的环境下会下降，从而导致膜失水、溶胀、降解，使燃料电池的性能和可靠性受到影响。高性能、低价、环境适应性强的质子交换膜材料的研制工作，依然是当务之急。

电池系统集成同样存在诸多问题，如系统能量管理策略不完善，导致能量利用效率低下；各子系统之间接口不统一，增加了系统设计和制造难度；系统的整体可靠性和稳定性有待提高，在复杂工况下易出现故障，影响燃料电池的正常运行和使用寿命。

成本高昂

从氢气的制备来看，无论是化石能源制氢的高污染和后续处理成本，还是电解水制氢依赖低价电力而没有实现的现状，以及生物制氢技术的不成熟，都使得氢气的成本难以降低。同时，催化剂、质子交换膜等关键材料由于资源稀缺、制备工艺复杂，导致价格昂贵，且短期内难以找到低成本替代方案。此外，双极板、气体扩散层等其他关键材料的性能提升与成本控制之间的矛盾，也进一步加剧了原材料成本问题。

另外，生产设备投资大且更新换代快，企业需不断投入资金购置先进设备，增加了固定成本。组装工艺的复杂性使得自动化程度难以快速提升，人工组装效率低、导致制造与组装环节成本难以有效控制。

从基础设施建设的角度来看，加氢站、储氢设施以及氢气输送管网等基础设施的建设都需要巨大的资金投入，而设备利用率低则是因为市场需求没有得到充分释放，难以通过规模效应来分摊建设成本。运输氢气主要是靠长管拖车，而且没有适用于大规模的、长距离的运输，运输效率低，成本高。管道输氢虽具有大规模运输优势，但建设成本高、周期长，且面临技术和安全等问题。在贮藏方面，高压气态储氢是低密度、低温液态的储氢，并且低温液体储氢对装备的要求很苛刻，目前还没有商业化的应用，比如金属氢化物储氢等新技术。氢气运输与储存设施的不完善，限制了氢气的供应范围和灵活性，增加了氢气供应成本，不利于氢燃料电池产业的发展。

安全与标准问题

氢气在生产、储存、运输、使用过程中存在较大的安全隐患，如氢气易燃、易爆、密度小、扩散速度快等特点。漏氢会造成人员、财产的安全受到严重的威胁，从而引起爆炸和火灾事故的发生。此外，电击、烫伤等燃料电池系统中的高压电元件和高温元件也存在着一定的安全隐患。如何确保氢燃料电池全产业链的安全运行，是产业发展面临的重要挑战。

目前，全球范围内氢燃料电池相关的标准体系尚不完善，不同国家和地区在氢气质量、加氢站建设、燃料电池性能测试等方面的标准存在差异，缺乏统一的国际标准。由于标准体系不健全，不利于行业规范发展和国际贸易，导致产品良莠不齐，市场竞争无序。同时，也增加了企业研发和生产成本，阻碍了技术的交流与合作。

氢燃料电池发展建议

加强技术研发创新

攻克汽车燃料电池催化剂等质子交换膜、气体扩散层碳纸等关键材料和核心部件的技术难关，降低进口依存度，提高国产化率；加大在非贵金属催化剂方面的研发投入，降低对昂贵金属的依赖，如铂金等，推动催化剂成本降低；探索膜材料应用纳米材料和复合材料，提高质子交换膜的导电性和耐久性；优化设计燃料电池系统，提高整体效率和可靠性，加强关键技术的研究，如热管理和水管理，降低能量损耗。通过优化系统控制策略，实现对燃料电池系统的精确调控，从而增强系统的稳定性和响应速度。

完善基础设施建设

制定加氢站建设规划，在加氢站和物流园区重点区域合理布点加氢，提高加氢站的覆盖率，增加加氢站建设投入；鼓励企业参与加氢车站建设运营，出台相关政策，简化加氢站建设审批流程，降低建设成本；提高氢气储运的安全性、经济性，积极发展多种氢气贮运技术，如高压气态储存、液态存储和金属氢化物储存；为降低运输成本，建设氢气运输管道网络，实现氢气长途、规模化运输。

加大政策支持力度

建议政府制定和完善氢燃料电池技术研发、产业化和应用推广的相关政策，明确氢燃料电池在能源体系中的定位和发展目标，为产业发展提供政策引导和保障，包括在财政补贴、税收优惠、产业基金等方面给予支持。建立健全氢燃料电池及相关产业的标准体系，规范产品质量和安全要求，加强对氢燃料电池产业的监管，确保产业健康有序发展。

拓展市场应用领域

持续推动氢燃料电池在汽车、船舶和轨道交通等运输领域的应用，特别是在中重型车辆和长途运输方面，充分利用氢燃料电池具有续航里程长和加氢时间短的优势。鼓励在城市公共交通、物流配送和港口运输等领域推广使用氢燃料电池车辆。积极研究氢燃料电池在分布式发电、储能和工业领域的应用，例如在工业园区、数据中心等地点建立氢燃料电池热电联供系统，以实现能源的高效利用。推进氢储能在可再生能源利用和电网调节等领域的示范应用，打造“风电和光伏发电结合氢储能”的新型一体化应用模式。