什么是燃料電池
與鋰電池作為儲能裝置不同，氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉換裝置，通過電化學反應將陽極的氫氣和陰極的氧氣（空氣）的化學能轉化為電能。
燃料電池結構單元主要由膜電極組件和雙極板構成，其中膜電極組件是由質子交換膜、催化劑與氣體擴散層組合而成的，為反應發生場所；
雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過流場給膜電極組件輸送反應氣體，同時收集和傳導電流并排出反應產生的水和熱。
燃料電池電堆是氫氣和氧氣發生電化學反應及產生電能的場所，是燃料電池基本原理得以實現的核心物質載體。
鑒于單個燃料電池單元輸出功率較小，實踐中通常通過將多個燃料電池單元以串聯方式層疊組合構成電堆來提高整體輸出功率。
因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構成的復合組件。
除電堆以外，燃料電池發動機還需要一系列輔助系統才能實現其功能。其中控制系統通過高精度調節反應氣體的壓力及流量等使得電堆中的反應始終維持在輸出功率、溫度、濕度均合適的水平，保證發動機穩定可靠工作；
氫氣和空氣供給系統是為電堆提供合適壓力、溫度、濕度、流量的氫氣與空氣；水熱管理系統用于保持燃料電池內部水平衡和熱平衡。
此外，燃料電池發動機系統配備由車載高壓儲氫瓶和配套閥件組成的車載氫系統用于儲存燃料，以及用于實現燃料電池與整車高壓之間解耦的DC/DC變換器。
所以，最終發揮發動機作用的燃料電池發動機系統主要由燃料電池發動機、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統等構成，其中燃料電池發動機主要部件包括電堆、發動機控制器、氫氣供給系統、空氣供給系統等。
車用燃料電池產業鏈
燃料電池的應用領域包括固定電源、便攜電池和汽車，其中車用燃料電池作為動力系統有著續航里程長，加氫時間短和無污染等優勢，是目前是爆發最迅猛,也是關注度最高的應用領域。
燃料電池汽車產業具有市場空間大、產業鏈長、參與方眾多的特點，產業鏈上游主要為膜電極、雙極板、各類管閥件與傳感器、車載高壓儲氫瓶等發動機零部件生產制造行業，產業鏈中游主要為燃料電池發動機系統及電堆集成行業，產業鏈下游主要為燃料電池整車制造行業。
行業上游
燃料電池發動機核心部件主要包括電堆及其核心部件、輔助系統等，行業上游參與者主要為該等關鍵部件生產商，其中電堆作為燃料電池系統的核心組成部分，對燃料電池發動機的關鍵性能和成本具有較大的影響。
從燃料電池發動機成本構成來看，以年產200套公交車為例，電堆成本占比70%（其中質子交換膜27%、催化劑19%、擴散層19%、雙極板5%），輔助系統占比22%。
行業下游
車用燃料電池的下游參與者主要為整車廠，普遍擁有雄厚的研發實力、資金實力、生產能力以及較大的知名度，并在燃料電池領域擁有一定的技術基礎，在行業內部起到整合上游供應鏈并生產最終整車成品的作用。
我國燃料電池汽車產業發展路徑為先商后乘，即通過商用車發展規模化降低燃料電池和氫氣成本，同時帶動氫能基礎設施建設，后續拓展到乘用車領域，主要原因為：
1）我國城市人口密度和人口基數普遍較大，公共交通運輸系統發達，公交車與城市客車保有量較大；
2）商用車一般存在固定路線，沿線建設加氫站可有效提升加氫站利用率，且燃料電池汽車從技術特點上更適合中長途、中重載運輸體系；
3）我國依托政策優勢可快速進行公共交通體系及城市配送領域的商業化推廣，燃料電池公交車、城市客車、城市物流車節能減排效果顯著，可有效緩解因燃油車油耗及碳排放較高帶來的環保壓力。
燃料電池的現在與未來
我國燃料電池的發展規劃
氫燃料電池汽車早在“十五”期間即被確立為新能源汽車發展的主要技術路徑之一。
過去十余年間在國家科技計劃和技術創新工程的支持下，我國系統開展了氫燃料電池汽車的研究、開發、示范和運營工作，初步形成了從燃料電池電堆到整車的研發體系和制造能力，并開展了系統的示范運營。
自北京奧運會有20多輛燃料電池轎車和2輛客車在運行，到上海世博會將近200輛各類燃料電池汽車示范運行，到目前在新能源汽車推廣財政補貼政策和科技部、聯合國開發計劃署的支持引領下，以客車、物流車等商用車型為先導陸續在全國范圍內啟動了商業化示范推廣。
受益于此，我國燃料電池汽車銷量于2016年開始快速起步，最近3年燃料電池汽車銷量年復合增長率達到55.81%，2018年度燃料電池汽車銷量達到1,527輛，表明我國燃料電池汽車產業已經從政府主導的技術探索、示范運營階段發展至商業化初期階段。
根據《節能與新能源汽車產業技術路線圖》，到2030年將實現大規模商業化推廣累計100萬輛，燃料電池系統產能超過10萬套/企業，整機性能達到與傳統內燃機相當。
根據中國氫能聯盟發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》（2019 年），認為氫能將成為中國能源體系的重要組成部分，預計2020-2025 年國內氫燃料電池汽車達到5萬輛；2026-2035年達到130萬輛；2036-2050年達到500萬輛。
以每輛燃料電池車電堆功率60kW計算，2025年、2035年、2050年國內燃料電池系統產值分別為144億元、720元億和990億元。
燃料電池的發展方向
根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》（2019年），燃料電池系統技術未來發展將會有四個方向：1）持續開發高功率系統產品；2）通過系統結構設計優化提高產品性能；3）通過策略優化提高產品壽命；4）通過零部件優化及規模化效應持續降低成本。相關技術指標展望如下：
2017年美國燃料電池系統年產50萬套成本已從2006年的124美元/Kw下降到45美元/Kw，根據DOE《Fuel Cell System Cost–2017》的預測，2020年將下降到40美元/Kw。
當產量達到50萬臺套時，規模效應將加速成本下降，燃料電池系統的成本將下降到45$/kWnet，電堆成本將下降到19$/kWnet。
燃料電池的核心零部件與相關企業
質子交換膜
質子交換膜的作用是在反應時，只讓陽極失去電子的氫離子（質子）透過到達陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通過，因而對導電率、耐酸堿性、熱穩定性、柔韌性等性能有較高要求。
全氟磺酸型膜是目前燃料電池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供應商集中于日本和歐美國家，其中應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜。
但全氟磺酸膜有不耐高溫、成本高等缺陷，復合膜、高溫膜、堿性膜等是未來革新方向，例如復合膜是通過復合的方法來改性全氟型磺酸膜從而提升其耐高溫性和阻醇性；堿性膜對應的燃料電池系統的工作環境為堿性，在這種狀態下催化劑選擇的范圍可以更寬泛，不僅限于鉑，還可以使用鎳和銀等。
目前國內具備質子交換膜生產能力的企業包括武漢理工新能源、山東東岳集團、上海神力科技、大連新源動力和三愛富等，但目前僅有在該領域技術沉淀多年的東岳集團進入批量化試產階段。
催化劑
催化劑作用于氫氣，使電子離開氫原子。目前Pt/C載體型催化劑是PEMFC最常用的催化劑，由納米級的Pt顆粒（3-5nm）和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構成。
質子交換膜燃料電池商業化進程中的主要阻礙之一是價格高昂的貴金屬催化劑，鉑載量已大幅下降，超低鉑或無鉑（PGM-free）是未來研究重點。
20世紀60年代美國通用采用鉑黑作為催化劑，鉑載量超過4 mg/cm2，而現在3M公司已經開發出可量產的有序化膜電極，鉑載量僅為0.118 mg/cm2，有了大幅下降。
燃料電池催化劑的生產商為美國的3M、Gore，英國的Johnson Matthery，德國的BASF，日本的Tanaka，比利時的Umicore等，國內大連化物所具備小規模生產的能力。
氣體擴散層
氣體擴散層（GDL）起著分布反應氣體、在電極和雙極板之間傳導電子和熱量、與平衡電極表面水分的作用。對于氣體擴散層，不僅有透氣/透水性好、導電/導熱性好、機械強度高、耐腐蝕性好等物理化學性質，還要具有易于規模生產和價格便宜等商業方面的要求。
碳纖維紙/布是一種廣泛使用的擴散層材料，規模化生產工藝是研發重點。
目前商業化碳纖維紙/布等材料從性能上已能夠很好地滿足要求，而氣體擴散層是加工費用主導成本的部件，規模化生產將會帶來大幅的成本削減，根據Strategic Analysis2014年發布的數據，當生產規模從1000套提升到50萬套時，成本會從$2,661/套降到$102/套，因此開發擴散層大規模生產工藝是未來研究重點。
目前碳紙產品由幾個國際大生產商壟斷，如加拿大巴拉德、日本Toray和德國SGL。
我國的碳紙開發生產落后于國外，國內上海和森公司有小批量碳紙產品，臺灣碳能科技公司的碳紙產品價格較低，獲得了一定市場認可；中國石油大學和東華大學也在從事相關研究。
雙極板
雙極板在燃料電池堆中的體積和重量占比最大，成本占比近30%，主要功能為連接單體模塊、分隔反應氣、收集電流、散熱和排水等。
根據基體材料的不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合材料雙極板，其中石墨雙極板最早被開發使用，目前技術已經成熟，并已實現商業化大規模應用了。
同時，表面改性的金屬板以及成本降低的復合雙極板是未來發展的趨勢。
目前國際市場上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強，美、英復合材料雙極板處于世界先進水平。
國內發展情況來看，石墨雙極板較成熟，個別廠商已達國際先進水平，如上海弘楓實業、上海弘竣、淄博聯強等；金屬和復合材料雙極板在我國研究較晚，現階段國內金屬和復合材料雙極板的相關研究機構及企業有武漢理工大學、愛德曼氫能源、新源動力等。
燃料電池企業
目前，我國燃料電池發動機系統及電堆獨立供應商主要分為三類，一類是較早從事燃料電池行業且具備自主核心技術的發動機供應商，以新源動力、億華通、弗爾賽為代表；
另一類是近年來興起的以國際技術引進與合作見長、具備一定批量化生產能力的供應商，以上海重塑、國鴻氫能為代表；
此外還有一系列上市公司通過投資、產業鏈合作與技術引進等方式不斷拓展燃料電池相關業務，以大洋電機、雄韜股份為代表。
