作为清洁、高效的能源，氢能是全球未来能源战略的重要组成部分，发展氢能燃料电池已成为各国共同的战略选择。美国计划到2030年年产30万辆燃料电池汽车，日本计划到2030年年产80万辆，欧盟则计划到2040年实现燃料电池汽车占比超过三成。我国同样重视燃料电池汽车的发展，认为燃料电池汽车要与电动汽车长期共存互补，并在商用车领域占据优势。《国家创新驱动发展战略纲要》、《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》等文件均认为要大力发展燃料电池汽车，计划到2030年我国燃料电池车保有量达到200万辆，产值突破万亿元。影响燃料电池汽车发展的关键无疑是车用燃料电池技术的突破，其系统及部件的性能、成本直接决定了燃料电池汽车大规模商业化推广的时机。
系统级装车性能技术突破
燃料电池并非新生事物，这个由英国科学家于1839年实现的科技发明在20世纪60年代最早应用于航天领域，后来拓展到固定电源（如偏远地带电站、通讯站备用电源等），进入新世纪才开始应用于车用电源。车用电源的要求与之前的应用场景明显不同，因而催生了燃料电池相关方面的技术突破。
（1）功率密度
相比于固定电源场地，汽车上能提供给燃料电池系统的空间相对有限，过于庞大、笨重的设备无法在汽车上应用，必须通过提升功率密度实现小型化，方可满足汽车的使用需求。目前，国外优势企业燃料电池的功率密度已经有了大幅度提升，体积功率密度从之前的不足200W/L提高至2800W/L，丰田产品更是突破了3200W/L；质量功率密度则由300W/kg左右提升至超过2000W/kg，这一数据甚至超过了常规内燃机（约1000W/kg），就技术指标而言，已经可以满足汽车的使用需求。
（2）寿命
作为高价值家庭财产，汽车的使用寿命长达十几年。以报废前行驶50万公里（商用车甚至高达上百万公里）、平均时速80公里推算，动力系统工作寿命超过6000小时。因此有观点认为：工作寿命超过2000小时的燃料电池可以满足示范运行或生命周期内工作时间较少的车型应用，超过5000小时的燃料电池可以满足大部分汽车的商业化应用。目前燃料电池寿命已由开始的数百小时提升至2500小时以上，部分产品已经能达到5000小时，超过10000小时的产品已经投产。
（3）适应性
与其他应用领域相比，车用燃料电池的工作环境更恶劣，面临不同气候(如高温或低温)、不同环境(如高海拔、沙尘大、空气质量差)、不同工况(频繁启停、频繁加减速等)，以及车内环境的狭小、潮湿、炎热、震动等。国内采用电-电混合（即燃料电池+动力电池）的方式，利用动力电池辅助调节功率变化，减小车辆使用工况的频繁变化对燃料电池的冲击。
目前燃料电池仍需关注的指标是冷启动温度，这是因为在低于0℃的环境下，燃料电池反应生成的水易结冰导致性能下降、结构破坏。通过辅助加热、热气吹扫、氢氧反应等多种辅助技术，目前国内车用燃料电池已经可以实现-10℃环境下的冷启动，部分产品实现-20℃甚至-30℃环境下的冷启动。近年来，奔驰、丰田等公司致力于冷启动性能的研究，国内外差距明显：2019年1月国家电动客车电控与安全工程技术中心开展的试验显示，国内一款燃料电池客车在-30℃环境下能够在15分钟内启动成功；而早在2014年，日本对丰田Mirai的试验显示，-30℃环境下可以在35秒内达到额定功率的60%，在70秒内达到额定功率的100%。
（4）储氢量
燃料电池汽车的加氢容量直接决定了其续驶里程，也决定着其使用便利性，而氢气的低分子量特性又决定了其储存的难度。现阶段加氢站比较短缺。高压储氢是得到最广泛应用的车载储氢方式，国外已发展到70MPa，我国较为常用的是35MPa，正在研究探索70MPa储氢方式，我国相应的燃料电池汽车认证标准也在考虑由35MPa向70MPa拓展。
（5）成本
成本也是制约燃料电池汽车商品化的关键因素之一。有别于航天领域可以不计成本地追求高安全、高性能产品，汽车作为大规模商业化推广的商品，在保证基本安全、使用性能的前提下，对成本有着近乎苛刻的要求。据北京泛略思晟咨询有限公司官网的一份统计数据显示，随着技术进步及应用规模的增长，燃料电池系统成本由2006年的124美元/千瓦逐年下降，有望于2030年后下降至与传统内燃机相当的30美元/千瓦。详见图1。
关键零部件技术进展
燃料电池系统构成复杂，很多关键部件在国内尽管有了一定的技术进步，但仍然与国外先进产品差距明显，需要进一步技术升级与突破。
（1）电堆
目前，汽车上应用的燃料电池多为质子交换膜燃料电池。电堆是质子交换膜燃料电池系统的核心部件，是产业链中技术门槛最高的核心环节。近年来以改善电堆单体性能、成本等指标取得的主要技术进步有双极板材料优化、催化剂材料优化、膜材料及吸附工艺优化、氢空流场优化等。
双极板：双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件，具有分隔反应气体、收集电流和提供反应气体通道等功能。近年来，主要在双极板新型材料、加工工艺等方面实现技术突破，目前有金属板、石墨板与复合板等类别，它们的性能比较详见表1。欧、美、日国家石墨、金属类双极板整体较强，美、英复合材料类双极板处于世界先进水平；国内石墨双极板较成熟，个别产品部分性能已达国际先进水平，而金属和复合材料双极板在我国研究较晚，技术仍有较大提升空间。
膜电极：膜电极是多相物质传输和电化学反应的场所，由催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成，决定了燃料电池的性能、寿命和成本。
质子交换膜是一种选择透过性膜，技术壁垒最高，近年来技术突破点主要围绕：减少气体传输阻力，使反应气体顺利从扩散层到催化剂层发生电化学反应；形成良好的离子通道，降低离子传输阻力；形成良好的电子通道；追求高质子传导性、良好的化学稳定性、热稳定性及抗水解性。目前市场上应用最多的隔膜材料为全氟质子交换膜，挤出成型工艺技术掌握在美、日等发达国家手中，国内加工技术尚不成熟，主要依靠进口。
催化剂用来提升电化学反应效率，分为铂催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。燃料电池对催化剂活性要求很高，铂催化剂是最理想、也是当前唯一商业化的催化剂。由于铂为贵金属，储量低、成本高昂，如何用尽可能少的量产生最大的催化效果（提升极化、电化学活性面积、质量比活性等综合性能），同时提升耐久性（尽可能长时间保持其催化效果）是近年来技术追求的方向，目前铂用量已经由之前的0.8～1.0g/kW降至0.3～0.5g/kW，并有望在2020年前后降至0.1g/kW。如利用纳米技术可以使其活性提升一倍以上；优化碳载体，可以提高铂的利用率，减少贵金属使用量；利用特殊的表面处理技术，防止铂原子溶解脱出，延缓铂颗粒之间团聚长大的趋势，进而提升催化剂耐久性。另外，当前技术突破还包括生产工艺、生产能力的突破，实现由实验室级生产能力（<100克>1000克/天）的转变。
气体扩散层：气体扩散层具有支撑催化层、稳定电极结构、传递质/热/电功能，要求具有良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性与稳定性。近年来我国科研机构发明了化学气相沉积热解炭改性碳纸技术，显著提高了电学、力学性能；发明了异型结构碳纸，大幅提高稳定性、耐久性；通过干法成型、催化炭化等连续化生产工艺提高生产效率。日本公司通过开发高孔隙结构、低密度扩散层使扩散能力提高了2倍以上。
（2）供氢系统
氢循环系统：我国“十一五”、“十二五”期间研发的大多数燃料电池样机氢气是不循环的。为保证燃料电池稳定高效运行，并提高氢气利用率，目前燃料电池多采用氢气循环技术。通过加大氢气的供应提高反应时的氢气浓度，未来得及反应的氢气经水气分离装置将液态水分离后，再将氢气回送到燃料电池氢气入口重复使用，同时对新鲜氢气进行加湿，可以避免阳极水淹现象。
目前主要的氢气循环模式有单级引射器、双级引射器并联、单级循环泵、引射器和循环泵并联等。引射器无运动部件且可靠性高，但其回流能力固定、工作范围较窄，无法在小流量下起到循环的效果；氢气循环泵采用变频控制电机，使回流能力与功率变化动态响应，缺点是消耗电堆功率，且因含有许多运动部件会产生震动和噪声。考虑到车用燃料电池大功率发展的趋势以及运行工况的复杂多变特性，有观点认为今后的循环技术以氢气循环泵为主，个别情况下采用引射器和氢气循环泵相结合。
氢气喷射器：供给燃料电池阳极的氢气需要实现精准的压力控制。目前压力控制有两类技术，一类是通过改变阀门的开闭频率控制供氢速率，另一类是通过改变阀门的开度大小控制供氢速率，前者称为开闭阀，后者称为开度阀。由于开闭阀需要高频率反复开闭，其使用寿命相对较低；而开度阀工作原理类似于传统车节温器，具有结构简单、体积小的特点，只是工作频率加大。
目前，国内尚无氢气循环泵和氢气喷射器商业化产品，严重依赖进口，因此国内亟待加强该领域的技术攻关。
（3）供气系统
空气压缩机：燃料电池专用空气压缩机负责为电堆提供一定温度、一定压力、一定流量的洁净空气。由于对空气清洁度要求高，必须使用无油润滑方式；同时由于空间限制，在减小体积的同时还要保证供气量，必须提高电机转速；能耗也是空压机的重要指标，能耗要在电堆功率的10%以下才能保证整个系统的高效率。
常用的空压机有离心式、螺杆式、罗茨式，除了丰田使用罗茨式外，其他多数使用离心式。结合国内外研究发现，离心式是主流发展方向，目前国内离心式压缩机转速可达4万转，压缩比接近2.0；国外已有产品转速达到10万转级别，压缩比可达4.0。
（4）附件
空气加湿器：质子交换膜在工作时要保持湿润状态，借助加湿器改变湿度，可以提高质子膜电导率，提高燃料电池性能。常用加湿形式有外增湿、内增湿。目前丰田通过排气对进气进行加湿，取消了外部加湿器，降低系统复杂度和成本，这将成为未来的发展趋势。
（5）车载氢系统
氢瓶：ISO标准规定了四类气瓶，如图2所示，其中I类和II类由于氢脆问题无法适用于车载储氢系统（应用于天然气瓶等）；国内目前已实现III型氢瓶（金属内胆）批量生产； IV型储氢瓶是目前国际上研究热点，具有重量轻、循环寿命长、成本低等优点。随着企业、研究机构在相关工程问题上的突破、设计和制造标准的完善，相关法规也会逐渐向其倾斜。
本文从燃料电池汽车商业化、大规模推广的角度，对系统整体装车性能及关键零部件的技术现状、发展情况进行了简要总结，并对关键部件未来的发展趋势做了简要分析。总体而言，我国在燃料电池系统领域与国外的技术差距还较大，除了文中所列的零部件，还包括DC/DC控制器、减压阀、加氢口等部件。由于未掌握材料和工艺等关键技术，这些产品主要依赖进口。但随着我国对燃料电池汽车的日益重视，以及国家部委层面对相关关键技术的扶持和公关力度日益加大，相信国内技术会逐年取得进步，满足未来我国燃料电池汽车的推广需求。