燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的装置

燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，所用燃料以氢为主，还可使用甲醇、乙醇等，具有效率高(达60%)、噪声低、污染小、应用广等优点。燃料电池为模块化设计，改变单电池或电堆数量就能形成不同功率等级的动力系统，军民通用性好。

按照电解质类型划分，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。其中，质子交换膜燃料电池运行温度低、启动快，适用于潜艇、汽车等需要频繁起停和变工况运行的情况，是目前发展的重点。从近五年数据看，不论是装机容量或交货量，质子交换膜燃料电池均占主要地位。2017年，质子交换膜燃料电池装机容量约490兆瓦，其中近90%用于交通运输。

按照用途划分，燃料电池可用于便携式设备(1W～20kW)、固定式发电(0.5kW～2MW)和交通运输(1kW～300kW)领域。其中，交通运输用燃料电池(汽车、火车、潜艇、无人系统)近年增长迅速，2017年装机容量占总装机容量的50%，约455兆瓦。其中，丰田和本田公司、韩国现代公司的产品数量超过3000台，装机容量近350兆瓦，占交通运输用燃料电池装机容量的75%。

氢源是燃料电池应用的关键，目前主要通过石油、天然气、甲烷等裂解制备氢气。此外，还可在合成氨、合成甲醇、石油炼制等过程中，将氢气作为一种副产品生产和分离;或利用甲醇、氨等分解制氢;或利用水电解制氢，目前应用较广、技术比较成熟，但能耗过高。储氢方式包括高压氢气、金属氢化物、液氢三种。高压氢气(使用35Mpa或70Mpa储氢罐)用于汽车、无人机等多数领域;金属氢化物安全性好，多用于潜艇;液氢储存困难，用于火箭发动机，燃料电池使用较少。

(一)燃料电池的应用包括潜艇AIP(不依赖空气推进)、无人潜航器、无人机等

燃料电池AIP已装艇使用，占国外潜艇AIP系统使用总量的60%，是潜艇AIP的重要发展方向。德国的212型/214型潜艇、俄罗斯第五代常规艇(在建)、西班牙S80潜艇(在建)、法国“短鳍梭鱼”型潜艇(设计阶段)均已使用或确定使用燃料电池AIP+柴油机动力型式。防卫省也在研发潜艇燃料电池动力系统，很可能用于下一代潜艇。

燃料电池AIP在效率、隐身性、续航力等方面具有明显优势。与热气机、闭循环蒸汽轮机等AIP系统相比，燃料电池的优势主要体现在：①效率高达60%，约为其他AIP动力系统的2倍，耗氧量低;②不使用旋转或往复运动系统，机械噪声小，声隐身性好;③质子交换膜燃料电池工作温度低于200℃，排气温度低，红外隐身性好。与锂离子电池相比，只要潜艇携带足够多的氢气(或其他燃料)，燃料电池系统的续航力理论上可远高于锂离子电池。

无人潜航器可使用燃料电池代替蓄电池，提高续航力。目前无人潜航器续航力仅为10-40小时，已经成为限制其大规模部署的瓶颈问题，海军研究署希望通过燃料电池技术，将无人潜航器续航力提高至70天，相关系统仍处于研发阶段。

燃料电池适用于中小型无人机，可提高续航力、降低故障率。美海军“离子虎”无人机使用550W的燃料电池后，续航力为26小时，是同等重量蓄电池的6.5倍。“扫描鹰”无人机换装燃料电池系统后，故障率降低至1/5。

(二)燃料电池的商业应用包括汽车、固定式发电等。

与纯电动车相比，燃料电池汽车的续航里程长、加氢时间短，发展最为迅速。已上市的燃料电池汽车包括丰田Mirai燃料电池汽车、本田Clarity燃料电池汽车、现代ix 35燃料电池版。通用汽车公司也与陆军装备司令部坦克机动车辆研发与工程中心(TARDEC)联合研发了雪佛兰科罗拉多ZH2燃料电池汽车，用于夏威夷基地。此外，戴姆勒、宝马、大众等车企也在研发车用燃料电池。丰田Mirai于2015年上市，是最早开始商业化的燃料电池汽车，有出售和租赁两种销售模式，售价目前约6万美元左右(政府还会补贴约2万美元)，续航力约600公里，性能媲美汽油车。

燃料电池固定式发电应用包括发电站、家用热电联产系统、备用电源等。燃料电池发电站以、韩国发展最为迅速。韩国建成了多个燃料电池发电厂，其中华城燃料电池园是目前世界最大的燃料电池发电站，配备21座功率为2.8MW的燃料电池(燃料电池能源公司提供技术支持)，总功率达到59MW，可为13.5万户家庭提供电力。家用热电联产系统从城市煤气中制氢，由燃料电池发电，产生的热量用于加热水，可以不依赖电网独立运行。主要产品包括的Ene. Farm系统和欧洲的Ene. Field系统。燃料电池还可用作通信基站或发电厂备用电源，在恶劣天气下保证通信和电力供应。

国外燃料电池供应商主要分布在、、欧洲、澳大利亚，已经形成了制氢、储(运)氢、燃料电池组件及组装、燃料电池应用的全产业链体系。国外质子交换膜燃料电池巨头包括加拿大巴拉德公司、普拉格能源公司等，涵盖固定式发电、叉车和汽车燃料电池等领域;固体氧化物燃料电池公司主要包括BE布卢姆能源公司和澳大利亚CFCL公司，涵盖新能源分布式发电和小规模热电联产等领域。车用燃料电池是当前发展热点，以丰田为代表的、德国、韩国公司已经推出车用燃料电池产品，丰田公司计划至2020年将燃料电池汽车销量提高至3万辆。军用产品方面，德国西门子公司、UTC公司、巴拉德公司下属的Protonex公司等已经为潜艇、无人潜航器、无人机发展了燃料电池动力系统，部分已经装备使用。

我国从上世纪50年代开始发展燃料电池，经过“七五”到“十二五”的多年发展，国内在质子交换膜燃料电池的各组件研发方面均取得了较大的进展，其中催化剂(清华大学、长春应用化学研究所等)、质子交换膜(清华大学等)、双极板(天津电源研究所、大连化学物理研究所等)、电解质(吉林大学、上海交通大学等)均有所突破，也初步形成了以大连新源动力、上海神力科技、三环集团等为代表的燃料电池研制生产企业，但总体来看仍存在一些问题。

(一)国内燃料电池核心组件和关键系统辅件仍依赖进口，不具备批量生产能力，成本居高不下。燃料电池的核心组件包括电解质膜、催化剂、气体扩散层、双极板等，系统辅件包括空压机、增湿器、氢循环系统、电源转换器。其中，质子交换膜由杜邦公司、3M公司、旭化成公司、比利时索尔维公司等国外巨头垄断;燃料电池需使用铂催化剂，且要从3M公司、英国庄信万丰公司、德国BASF公司、田中公司、比利时优美科公司等进口，成本很高;气体扩散层(碳纸)方面，东丽公司、加拿大巴拉德公司、德国SGL公司等厂商已具备流水线生产能力，国内仍未大规模批产;我国在燃料电池系统辅件中的加湿器、氢循环系统方面处于空白状态，全部依赖进口。以目前最常用的杜邦公司Nafion质子交换膜为例，成本约为400美元/m2，一般每辆氢燃料电池汽车需要20m2的质子交换膜，整车仅质子交换膜成本就需8000美元(约5.3万人民币)，燃料电池整体成本居高不下。

(二)国产燃料电池的寿命、功率密度、低温冷启动等性能与国外仍有一定差距。目前国产燃料电池寿命目前普遍不足3000小时，而国外可达10000小时;国内燃料电池系统功率密度仅为260W/kg，国外可达650W/kg;国内系统最低启动温度需-10℃，而国外可低至-30℃。

(三)国内生产规模远低于国外。国外质子交换膜燃料电池的主要承包商包括加拿大巴拉德公司、普拉格能源公司和加拿大Hydrogenics公司等，业务全面涵盖汽车动力和固定式电源领域，仅巴拉德一家公司的燃料电池年出货容量就达到250MW，而国内仍未形成产业规模，年出货容量不足20MW。

(四)国内军用燃料电池仍处于试验阶段，而国外早已使用。德国早在2005年服役的212级潜艇上就应用了功率为306kW的燃料电池系统，国内常规潜艇使用热气机，“十二五”期间，中船重工712所、大连化物所、上海微系统所开展了60kW级燃料电池的地面试验，但仍未达到装艇应用水平。

根据初步判断，国内燃料电池产业仍处于发展初期，仍未形成成熟的产业链。目前，在政策扶持、加大投入和补贴的状态下，大批公司和机构开始布局燃料电池产业，但燃料电池产业链庞大、研制生产机构众多，仍需长期、动态跟踪相关技术、产品、产业的发展。下一步我们将持续关注燃料电池行业发展情况，及时梳理典型经验，拟开展以下工作：

(一)赴相关地区、研究机构、企业进行实地调研，及时了解燃料电池技术状态、理清发展难点、明确企业诉求，不断总结产业发展中经验教训，更好地促进燃料电池产业军民融合发展。

(二)根据研究机构和企业实际需要，积极协调推动国防科工局、军委装备发展部、工信部等单位，加大对燃料电池关键技术研发和工业化的支持力度，共同助力燃料电池产业持续快速发展。

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