目前，燃料电池最大的应用领域是燃料电池汽车，近两年还出现了将燃料电池应用在飞机、船舶提供动力电源，应用在通信行业作为应急电源。

1  燃料电池汽车

燃料电池汽车可以使用的燃料包括氢、甲醇、汽油和柴油。其能量是通过氢气和氧气的化学作用，不是经过燃烧，而是直接变成电能。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。绝大多数燃料电池采用氢做为燃料，一是直接用氢，二是车载制氢技术。因这两种方法存在诸多不同的技术路线，因此，什么样的氢源最适合用于燃料电池汽车的问题一直以来都是争论的焦点。国外部分国家采用直接用氢技术，其氢气存储压力可高达70MPa；也有的采用车载制氢技术。

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

①  零排放或近似零排放；

②  减少了机油泄露带来的水污染；

③  降低了温室气体的排放；

④  提高了燃油经济性；

⑤  提高了发动机燃烧效率；

              ⑥ 运行平稳、无噪声。

（1）世博会示范运行

2010年上海世博会期间，以同济大学与国内五大整车厂合作生产的173辆燃料电池车，包括3辆燃料电池客车、70辆燃料电池轿车和100辆燃料电池观光车在世博园区大规模示范运行。图1为通用雪佛兰Equinox氢燃料电池车，这是中国最大规模的燃料电池汽车集中示范，其示范规模和示范周期在全球范围也是名列前茅的。在上海世博会期间，燃料电池汽车整体运行情况良好。为了保障燃料电池汽车在上海世博会期间的示范运行，在世博园区附近建设了一座新的固定加氢站和两个移动加氢站，从而在上海建成了由两个固定加氢站和两个移动加氢站组成的全国首个氢基础设施网络。

图1 雪佛兰Equinox氢燃料电池车

（2）丰田燃料电池汽车

美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab，NREL）与SRNL（Savannah River National Lab）在2009年对丰田燃料电池混合动力车FCHV-adv（如图3所示）进行了开放式公路测试。以丰田美国销售总部所在地的加利福尼亚Torrance为起点，终点是San Diego。平均行驶距离为530km，考虑到最后所剩的氢燃料还可行驶约160km，因此，该车的实际续航里程约为690km。

图2 丰田燃料电池混合动力车FCHV-adv

目前，丰田正在开发中的FCHV成本大约是FCHV-adv的25%，今后要进一步降低到10%。为此，丰田做了如下工作：

①简化燃料电池系统和储氢罐系统等的设计，减小燃料电池系统尺寸和重量。例如，将电流密度提高1倍，以减小一半的电极面积；将单个电池的材料数量减少一半；改进安装和密封方法；减少电极催化剂材料Pt的用量。

②提高材料耐久性，降低材料成本。例如，电解质膜、隔膜（包括表面处理）和GDL(Gas Diffusion Layer，气体扩散层)等；与材料供应商共同降低FCHV的材料成本。

③提高燃料电池电堆和储氢罐等的生产技术。此外，对于零度以下燃料电池的工作情况，丰田表示，由于发电停止后，气体扩散不够充分，因此产生的水通常聚集在肋板下面。即使在冰点以下运行，这时产生的水仍会在一定时间内保持过冷状态。因此，冷起动时需要采取一些避免冻结的措施：适当清除以减少剩余水量；增加储水容量；通过气体控制加快产生热量的速度，快速提高电堆温度。

（3）通用燃料电池汽车

通用汽车正在测试全新氢燃料电池系统，该系统计划配装在2015年量产的燃料电池车上。与雪佛兰Equinox燃料电池车相比，新一代车型的电池体积缩小50%，重量减轻约100公斤，铂用量减少1/3，而且车内布局更加合理。

（4）燃料电池车发展预期

● 日本燃料电池商业化协会

对于燃料电池车和基础设施的发展，日本燃料电池商业化协会(FCCJ)将其分为四个阶段：

2010年之前属于技术示范阶段。主要解决技术问题。此期间将建约1000座加氢站，燃料电池车数量约为200万辆，并确定商业型加氢站的规范。

2011~2015年是技术与市场示范阶段。继续解决技术问题，并根据情况促进和评审各种规章与条例。从社会及经济角度验证燃料电池车和加氢站的利用。2015年开始普及大众化燃料电池车。

2016~2025年进入商业化初期阶段。扩大燃料电池车的生产和销售，通过更多车型增加燃料电池车数量，同时保证使用者的便利性；降低氢燃料和加氢站的成本；继续技术开发，评审各种规章与条例。2016年开始建设商业型加氢站，在2025年达到2000座。

从2026年开始，燃料电池车和加氢站进入全面商业化阶段。将可以实现能源的多样化，大幅降低二氧化碳的排放。

● 上汽集团

2010年上汽首次公布了其燃料电池轿车的战略规划：2010年为示范运行阶段；到2013年，生产50辆轿车供公司管理人员上下班使用；到2015年，实现燃料电池汽车规模化产业化生产，计划先生产1000辆在北京、上海、大连等城市首先上市销售，整车成本降到50万元以内。

● 丰田汽车

从2005年至今，丰田已将燃料电池车的成本平均降低了90%。未来5年，丰田将提高技术水平，使燃料电池的性能更可靠、体积更小、成本更低。力争在没有补贴的情况下，将车辆的平均售价控制在5万美元左右。

● 美国能源部

美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab，NREL）长期从事氢燃料电池车的开发，该实验室的Keith Wipke表示，从已经实施了5年多的美国氢燃料电池车示范项目的运行情况看，氢燃料电池车进入了一个新的发展阶段。2009年，车用氢燃料电池电堆的耐用性为2000小时，续航里程超过400km，加氢站的加氢成本为3美元/GGE(Gallons of Gasoline Equivalent，相当于一加仑（约3.87L）汽油的能量)。预计2015年上述数据将分别达到5000小时、480km、2~3美元/GGE。

2  燃料电池船舶

在挪威和德国资金支持下，全球第一艘把燃料电池作为动力系统的船舶试验“Fellow Ship”项目（“Fellow Ship”项目于2003年启动，当时先进行了可行性研究；到2005年完成燃料电池的基本设计和研发；2006年研究人员开始研发以液化天然气为燃料的电池动力系统并最终完成。该装置2009年9月被在安装如图3所示的“Viking Lady”号。）顺利实施，并由挪威船级社（DNV）对燃料电池的安全和风险进行了核查和认定，亦藉此制定出全球首个船用燃料电池入级认证规范。功率320千瓦的全尺寸燃料电池动力系统，安装到一艘在北海运营的海洋工程供应船“Viking Lady”号上，实现船上发电试验的营运船舶。该船是道达尔公司租赁的一艘海洋工程供应船。“Fellow Ship”项目预计于第三阶段和最后阶段进行燃料电池电气系统测试、验收和示范运行，装机容量范围为1兆瓦~4兆瓦。

图3 海洋工程供应船Viking Lady号

3  燃料电池飞机

2009年7月7日在德国汉堡世界首架利用燃料电池驱动的有人驾驶飞机升空，实现二氧化碳零排放。这架飞机名为“安塔里斯”DLR－H2型机动滑翔机（图4和图5所示）。它由德国航空航天中心和一些私人企业共同研制。德国航空航天中心专家约翰－迪特里希·沃纳说：我们在电池效率和表现上实现了许多改进，飞机可以只靠燃料电池实现起飞。“安塔里斯”利用氢作为燃料，通过和空气中的氧发生电化反应产生能量。全过程不发生燃烧，不排放温室气体，产生的唯一副产品为水。如果生产氢燃料的过程也采用可再生能源，那么这种飞机就可实现真正彻底的“零排放”。在最佳情况下，这种飞机可连续飞行5小时，飞行半径达到750公里。

图4 “安塔里斯”DLR－H2型机动滑翔机

图5   “安塔里斯”DLR－H2型机动滑翔机飞行照片

4  燃料电池在通信应急电源上

浙江南都电源动力股份有限公司和中国电信联合研制了通信用10kW移动式燃料电池电源系统（如图6所示），并将该燃料电池电源系统安装到发电应急车（如图7所示），该发电应急车研制成功后，工业和信息化部泰尔实验室对该成果进行了性能指标测试，从测试结果表明，该系统具有启动时间快、带载能力强、工作时噪音低、无污染排放等优点，工作性能稳定，车载移动方便，各项指标达到通信用移动应急电源的要求，与传统柴油机发电相比，在噪音和气体排放方面明显具有优势，适合在人口密度高，环保要求高的高档住宅小区或其他环保要求高的接入网点、移动基站、FTTx站点等各种通信站点应急保障发电使用。

图6  10kW移动式燃料电池电源系统

图7 南都移动式燃料电池电源系统在通信基站工作

燃料电池发电作为一种节能环保效益高的高新技术，引起了工信部的重视。根据工信部科技司安排，工信部科技委于2010年11月6日派出现场检查专家组到广东实地考察检测了南都电源和中国电信联合研制的移动燃料电池电源系统的各项指标和运行性能，并于2010年11月16日在北京召开了“移动式燃料电池电源系统”科技成果鉴定会。专家组经过严格评审，一致认为：该系统是按照通信用移动式燃料电池的需要，自主研发、系统集成的具有创新性的成果，填补了国内对该产品需求的空白，达到了国际先进水平，对通信行业的节能减排具有重要意义。

5  燃料电池的热电联产

热电联产是既产电又产热的高效能源利用形式，它可将发电之后的低品位热能用于供热，以实现能源梯级利用，提高能源的综合利用效率。2009年日本大阪煤气公司、日本石油、东邦煤气有限公司、Saibu燃气公司和Astomos能源公司六家公司的总裁同时出席了产品发布会。推出Ene Farm品牌的家庭用燃料电池系统，Ene Farm家庭用燃料电池系统的售价为320万日元，即使政府补贴140万日元后，家庭还需要支付180万日元。而电热水器的售价仅为50~70万日元之间。

图14-9 热电联产装置（左侧：热水单元，右侧：燃料电池单元）