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核心提示 氢燃料电池产生背景和基本原理
从全球能源需求的比例来看，煤炭占到总量的28%、石油占34%、天然气占22%、可持续能源占11%，此外还有少量其他能源。煤炭、石油、天然气都是通过燃烧来提供能量，燃烧过程中产生的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等污染物，会对社会环境和经济可持续发展带来一定影响。我国二氧化碳排放量预计将在2030年达到顶峰，所以急需减排措施。
全世界的科学家在寻找清洁燃料的过程中得出，氢能源能解决化石燃料所带来的问题。氢能能量转化效率目前可达60%左右，未来仍有上升空间；风电、水电等电解水制氢方式多样，且我国工业副产氢每年可达约40万吨。此外，氢能燃烧的主要排放物是水，可以实现零排放、无污染。
简单地说，燃料电池是一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置。其主要特点是以气态的燃料如氧气与氢气，将化学能转变成电能；燃料电池发电效率高达60%，比传统发动机效率高约35%；氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，最后生成水，不会造成环境污染。
燃料电池的工作原理为，在阳极，它的反应方式是氢气通过催化剂的作用失去两个电子形成两个氢质子；在阴极是空气当中的氧气，和从阳极迁移过来的氢离子结合电子，生成水。它的总反应方程式是氢气加上氧气生成水。
其中，发生氧化作用的电极称为阳极，在原电池中，阳极是负极，氢气在反应中，作为还原剂被氧化，失去电子，价态升高，因此氢气侧为阳极；发生还原作用的电极称为阴极，在原电池中，阴极是正极，氧气在反应中作为氧化剂被还原，得到电子，价态降低，因此氧气侧为阴极。
燃料电池具有高效性。它是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。理论上，燃料电池的转换效率可达到85%至90%。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%至60%范围内，如考虑热电联供，燃料的总利用率则可达80%以上。
目前，氢燃料电池车从设计研发到量产运行，已经形成了一个较为完备安全的科学体系。从氢气的特性来看，氢气易扩散，扩散速度是空气的3.8倍。氢气泄露时，会迅速挥发散布在大气中，浓度无法达到爆炸极限要求。
核心提示 燃料电池构成
质子交换膜燃料电池单体的组成部分包括膜电极、双极板、密封件。膜电极又包含质子交换膜、催化层和气体扩散层三部分。
气体扩散层是质子交换膜的重要组成部分，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道。
迄今为止，质子交换膜燃料电池阴极和阳极的主要催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主。贵金属铂的稀缺也是当今燃料电池成本居高的主要原因之一。为了降低铂的使用量，很多公司进行了持续性的研究，近十几年来，膜电极上的铂催化剂使用量已经从10mg/cm 降低到了0.05mg/cm，降低了近200倍。目前，无铂催化剂也是一个研究方向，中国科学院化学研究所胡劲松研究员、万立骏院士与重庆大学魏子栋教授研究团队最近使用了一种高活性Fe-N-C类非贵金属催化剂。实验表明，该催化剂在阴极侧有着很优秀的氧还原催化性能。
质子交换膜的特性包括较高的质子传导率，气体或燃料的渗透性低，水的电渗系数小，较好的化学和电化学稳定性，良好的机械强度，以及较低的成本。
双极板的主要功能包括分配电池中的燃料和氧化剂，分离电池组中的单电池，传导电流，传输生成水、湿气，冷却电池组。双极板要求具有高电导率和导热系数；5-85℃的外部大气环境及65-85℃、0.2MPa的电池内部环境下的耐腐蚀能力，低透气率、重量轻、生产成本低。
石墨双极板一般采用石墨粉、粉碎的焦碳与可石墨化的树脂或沥青混合，在石墨化炉中严格按照一定的升温程序，石墨化，再经切割和研磨，制备厚度为2至5毫米的石墨板，机加工共用孔道和用电脑刻绘机在其表面刻绘需要的流场。其优点是质轻、耐腐蚀性能佳、导电性好。缺点包括它属于脆性物质，易造成组装难度，厚度不易做薄；一般烧结成多孔性板，需添加添加物；石墨化时间长、机械加工难，价格昂贵，制备工艺复杂、耗时长、费用高，难以实现批量生产。
金属双极板由不锈钢、钛合金、铝合金等直接加工而成。优点是它属于良好的电、热导体，机械型质佳、强度高、阻气性好，无孔性和容易做薄。缺点是单位密度高，质量功率密度较低，而且容易发生腐蚀。一方面腐蚀金属离子对催化剂产生毒化作用，金属离子还与质子交换膜发生离子交换，另一方面金属板表面腐蚀形成钝化层，使电极与双极板间的接触电阻增大，降低电池输出功率。
复合材料双极板由金属作分隔板，边框采用塑料、聚砜、碳酸酯等，流场采用炭板或石墨板，结合石墨板与金属板两者优点。在材料方面，由碳/聚合物复合材料的填料为导电石墨，聚合物一般为热塑性或热固性有机物。这种材料一来在成型同时形成流场，简化生产工艺；二来便于进行大规模生产，减低双极板的生产成本。
双极板基本流场形式包括蛇形流道、平行流道、平行蛇形流道、交指流道、螺旋流道、网格流道等。日本丰田燃料电池电堆采用3D流场设计，使流体产生垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化。这种3D流场通常需要空压机的压头较高，以克服流体在流道内的流动阻力。
核心提示 我国燃料电池汽车产业发展导向
我国燃料电池汽车进入市场导入阶段，2016年累计生产628辆燃料电池汽车，2017年累计生产1103辆燃料电池汽车，同比增长75.64%；2016年全年累计销售37辆，2017年累计销售1098辆，市场化开始进步。
2017年，第十九届中国科协年会提出“未来出行——氢燃料电池及智能车辆技术”。我国将整合各方资源，积极参与国际合作。目前，我国已发起并组建国际氢能燃料电池协会，目标是建成一个覆盖全产业链、推进燃料电池商业化的国际化平台，加速推动国际氢能燃料电池技术和产业发展。
2018年2月13日，财政部发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。通知中规定，燃料电池乘用车按照搭载燃料电池系统的额定功率进行补贴，燃料电池客车、货车采取定额补贴。
（逍遥客）
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