燃料電池是一種生物以及電化學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)所使用的電解質(zhì)和制造過程進行分類。通過電化學(xué)過程，這些燃料電池產(chǎn)生各種形式的能量，或用于產(chǎn)生基于熱的能量或電力，而不需要燃燒或氣化等過程。

目前有幾種燃料電池技術(shù)處于原型開發(fā)或研究階段，其中一些突出的技術(shù)在使用的電解質(zhì)、發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、涉及的催化劑、工作溫度和用作原料的燃料類型方面有所不同。

一、燃料電池種類

按照燃料電池中的電解質(zhì)和工作原理不同，燃料電池的種類可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸燃料電池(MCFC)、堿性燃料電池(AFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)。以下為各類燃料電池簡介。

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于一個直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。PEMFC發(fā)展時間較短，較低的運行溫度以及靈活的設(shè)計結(jié)構(gòu)使得在從移動的汽車電源到一般電源等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

2、磷酸燃料電池(PAFC)

磷酸燃料電池(PAFC)是一種將液態(tài)磷酸作為電解液的電池，它被包裹在碳化硅基體中，并由聚四氟乙烯鍵(PTFE)合而成。其工作原理如下圖所示。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，大概在150~200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，不過由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。已有醫(yī)院和軍隊將其作為應(yīng)急電源運行了若干年。

3、堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池（AFC），是最早發(fā)明的燃料電池技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于美國太空計劃，在航天器上生產(chǎn)電能和水。使用氫氧化鉀和水的溶液作為電解液，這反過來又給了在陽極和陰極使用大量非貴金屬催化劑的自由。其工作原理圖如下圖所示。堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電流密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。

4、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以多孔陶瓷基質(zhì)中懸浮的熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)?常用的熔融鹽包括碳酸鋰?碳酸鉀和碳酸鈉?熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)可以使用多種不同燃料,包括煤氣?沼氣或天然氣,沒必要使用燃料重整器?工作原理如下圖所示。MCFC的優(yōu)點在于工作溫度較高，反應(yīng)速度加快；對燃料的純度要求相對較低，可以對燃料進行電池內(nèi)重整；不需貴金屬催化劑，成本較低；采用液體電解質(zhì)，較易操作。不足之處在于，高溫條件下液體電解質(zhì)的管理較困難，長期操作過程中，腐蝕和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了電池的壽命。

5、固體氧化物電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池（SOFC）電解質(zhì)采用固體氧化物氧離子(O2-)導(dǎo)體，起傳遞 O2-及分離空氣和燃料的雙重作用。SOFC工作原理如下圖所示。與其他類型燃料電池相比，SOFC燃料適應(yīng)性強，可以使用一氧化碳、烴類等作為燃料；此外，其電極電解質(zhì)材料為陶瓷材料，可顯著降低燃料電池的成本；電極總體為全固體結(jié)構(gòu)，制造維護成本低，無電極毒化，無漏液腐蝕，工作壽命長。因此，近年來針對SOFC系統(tǒng)的研究逐漸深入，其在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。

二、燃料電池組成

燃料電池主要由以下核心部件和輔助系統(tǒng)組成：

核心部件：電極、電解質(zhì)隔膜、雙極板、膜電極組件等

電極

陽極：燃料（如氫氣）發(fā)生氧化反應(yīng)的場所，釋放電子和質(zhì)子。陰極：氧化劑（如氧氣）發(fā)生還原反應(yīng)的場所，與質(zhì)子和電子結(jié)合生成水。電極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以增加反應(yīng)面積，提高反應(yīng)效率。

電解質(zhì)隔膜

分隔陽極和陰極，傳導(dǎo)離子（如質(zhì)子、氧離子等），阻止氣體混合。不同類型燃料電池的電解質(zhì)材料不同，如質(zhì)子交換膜（PEMFC）、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（SOFC）、熔融碳酸鹽（MCFC）等。

雙極板

收集和傳導(dǎo)電流，分隔反應(yīng)氣體，提供氣體流場。材料多為石墨、金屬或復(fù)合材料，需具備良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性和機械強度。

膜電極組件（MEA）

由質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴散層組成，是電化學(xué)反應(yīng)的核心區(qū)域。催化劑層促進燃料和氧化劑的反應(yīng)，氣體擴散層均勻分布?xì)怏w并排出產(chǎn)物。

輔助系統(tǒng)：供氣系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)

提供燃料（如氫氣）和氧化劑（如空氣），包括儲氫罐、空壓機、氫循環(huán)泵等部件。

水管理系統(tǒng)

維持電解質(zhì)的濕度，確保質(zhì)子傳導(dǎo)效率，防止水淹或干燥。增濕器、排水裝置等部件協(xié)同工作，調(diào)節(jié)水的平衡。

熱管理系統(tǒng)

控制電池溫度，避免過熱或過冷影響性能。冷卻系統(tǒng)（如散熱器、冷卻液循環(huán)）和加熱裝置（如電加熱器）根據(jù)需求調(diào)節(jié)溫度。

控制系統(tǒng)

監(jiān)控電池狀態(tài)，調(diào)節(jié)電壓、電流和功率輸出，確保安全運行。包括傳感器、控制器和保護電路，實現(xiàn)故障診斷和自動調(diào)節(jié)。

不同類型的燃料電池（如質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等）在具體結(jié)構(gòu)和材料上存在差異，但核心原理和基本組成相似。

三、燃料電池當(dāng)前的“卡脖子”技術(shù)主要集中在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：

1、催化劑：鉑資源依賴與技術(shù)壟斷

鉑基催化劑的技術(shù)瓶頸：催化劑是燃料電池電堆的“心臟”，其性能直接決定發(fā)電效率。目前商用催化劑以鉑（Pt）基材料為主，但我國鉑資源稀缺，90% 依賴進口。國際巨頭德國巴斯夫、英國莊信萬豐、比利時優(yōu)美科占據(jù)全球 90% 的市場份額，國內(nèi)市場 70% 的催化劑需進口。

鉑載量差距：國外催化劑用量已實現(xiàn)< 0.2g/kW，而我國普遍處于 0.3-0.4g/kW 水平，單堆鉑成本占比超 40%。例如，某氫燃料電池汽車單臺鉑用量達 30 克，成本約合 1.2 萬元，占電堆總成本的 41%。

穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)鉑碳催化劑在酸性環(huán)境中易發(fā)生鉑顆粒團聚和碳載體腐蝕，導(dǎo)致壽命僅5000 小時，難以滿足乘用車需求。

替代技術(shù)的突破與局限

國內(nèi)科研團隊正攻關(guān)低鉑/ 非鉑催化劑，但商業(yè)化進展緩慢：

低鉑合金催化劑：上海大學(xué)團隊開發(fā)的鉑單原子催化劑質(zhì)量活性達商業(yè)鉑碳材料的5.3 倍，鉑用量降低 90%，但規(guī)?；苽浼夹g(shù)尚未成熟。

非鉑催化劑：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的核殼結(jié)構(gòu)鉑銠合金催化劑穩(wěn)定性提升200%，但仍需解決長期耐久性問題。

2、質(zhì)子交換膜：高端材料與制備工藝依賴進口

全氟磺酸膜的技術(shù)壟斷：質(zhì)子交換膜是氫離子傳導(dǎo)的核心通道，其性能直接影響電池效率和壽命。全球市場由美國戈爾（Gore）、日本旭化成等企業(yè)主導(dǎo)，國內(nèi)高端產(chǎn)品進口依存度超 70%。

材料合成壁壘：全氟磺酸樹脂的規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)被國外封鎖，國內(nèi)企業(yè)需從美國杜邦采購原材料，導(dǎo)致膜成本占電堆總成本的15%-20%。

國產(chǎn)化進展：武漢綠動氫能建成國內(nèi)首條全自主質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能與進口競品相當(dāng)，但全氟磺酸樹脂仍需進口，國產(chǎn)化率僅45%。

新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)

高溫型、低鉑載量復(fù)合膜等創(chuàng)新產(chǎn)品進入試產(chǎn)階段，但面臨量產(chǎn)難題：

高溫膜技術(shù)：國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的120℃高溫質(zhì)子交換膜可提升催化劑效率，但耐腐蝕性和長期穩(wěn)定性仍需驗證。

成本控制：國產(chǎn)膜價格僅為進口產(chǎn)品的一半，但規(guī)模化生產(chǎn)后成本仍比國外高15%-20%。

3、碳紙：氣體擴散層的關(guān)鍵材料短板

日本東麗的全球壟斷：碳紙作為氣體擴散層的核心材料，需具備高導(dǎo)電性、低滲透率和優(yōu)異的機械強度。全球市場中，日本東麗占據(jù)70% 份額，國內(nèi)企業(yè)長期依賴進口，碳紙成本占電堆總成本的 10%-15%。

工藝壁壘：碳紙生產(chǎn)需經(jīng)過碳纖維原紙制備、樹脂浸漬、高溫石墨化等20 余道工序，國內(nèi)企業(yè)在碳纖維分散均勻性、微孔層（MPL）涂覆精度等方面存在差距。

國產(chǎn)化突破：北京驪能新能源實現(xiàn)碳紙量產(chǎn)，成本降低60%，但產(chǎn)品厚度一致性（±5μm）仍遜于東麗（±2μm）。

超薄化與一體化趨勢

為提升電堆功率密度，碳紙向更薄（<200μm）、更輕方向發(fā)展，但國內(nèi)量產(chǎn)技術(shù)尚未成熟：

技術(shù)指標(biāo)差距：東麗最新碳紙厚度達160μm，而國產(chǎn)主流產(chǎn)品為 250μm，導(dǎo)致電堆體積功率密度低 18%。

一體化結(jié)構(gòu)：將碳紙與MPL 整合的一體化氣體擴散層成為主流，但國內(nèi)企業(yè)在界面粘結(jié)強度（>1.5N/cm）和耐腐蝕性方面仍需改進。

4、雙極板：金屬板表面處理技術(shù)待突破

金屬雙極板的腐蝕與接觸電阻難題

金屬雙極板因成本低、機械強度高成為主流，但表面處理技術(shù)被國外壟斷：

腐蝕防護：國內(nèi)企業(yè)采用的鈦/ 鎳涂層在酸性環(huán)境下壽命僅 3000 小時，遠(yuǎn)低于國際水平（>8000 小時）。

接觸電阻：國產(chǎn)金屬板接觸電阻約100mΩ?cm2，而加拿大巴拉德（Ballard）產(chǎn)品可控制在 50mΩ?cm2 以下。

石墨雙極板耐腐蝕性強，但加工成本高：

成型工藝：國內(nèi)企業(yè)采用模壓法生產(chǎn)石墨板，良品率僅75%，而德國 SGL 通過等靜壓成型技術(shù)將良品率提升至 92%。

成本對比：國產(chǎn)石墨雙極板單價約1200 元 /m2，比進口產(chǎn)品高 15%。

5、空氣軸承與高速電機：空壓機的核心部件短板

高速離心式空壓機的技術(shù)差距

空壓機是燃料電池系統(tǒng)的“肺”，其性能直接影響電堆效率。國內(nèi)產(chǎn)品與國際水平存在顯著差距：

轉(zhuǎn)速與效率：國內(nèi)第三代離心式空壓機轉(zhuǎn)速達18 萬轉(zhuǎn) / 分鐘，效率 82%，而日本豐田（Toyota）產(chǎn)品轉(zhuǎn)速突破 20 萬轉(zhuǎn) / 分鐘，效率 85%。

壽命周期：國產(chǎn)空壓機壽命約8000 小時，而德國博世（Bosch）產(chǎn)品可達 1.2 萬小時。

核心部件的進口依賴

空氣軸承、高速電機等關(guān)鍵組件國產(chǎn)化率不足50%：

空氣軸承：國內(nèi)企業(yè)采用的陶瓷軸承在- 40℃冷啟動時磨損率比進口產(chǎn)品高 30%。

高速電機：轉(zhuǎn)速超過10 萬轉(zhuǎn) / 分鐘的電機仍需進口，進口依存度 38%。

6、密封材料：動態(tài)環(huán)境下的可靠性瓶頸

高壓氫氣密封的技術(shù)挑戰(zhàn)

燃料電池電堆需在35MPa 高壓下運行，密封材料需具備低滲透率和耐疲勞性：

材料性能差距：國產(chǎn)氟橡膠密封件在35MPa 氫壓下滲透率達 12cc/m2?h，遠(yuǎn)超國際安全標(biāo)準(zhǔn)（≤3cc/m2?h）。

動態(tài)穩(wěn)定性：國內(nèi)產(chǎn)品在±1g 振動頻率下泄漏率增加 50%，而美國戈爾的密封件可保持穩(wěn)定。

耐高溫與自修復(fù)技術(shù)突破

國內(nèi)企業(yè)正研發(fā)新型密封材料，但商業(yè)化進展緩慢：

全氟醚橡膠（FFKM）：進口 FFKM 密封件單價超 3800 元，占電堆總成本 9%，而國產(chǎn)替代產(chǎn)品壽命不足進口的 1/3。

自修復(fù)涂層：廣東東晟密封開發(fā)的自修復(fù)有機硅涂層可修復(fù)92% 的微裂紋，但在高溫（>85℃）下修復(fù)效率下降至 60%。