许多专家将燃料电池吹捧为最清洁的绿色能源形式之一，因为这种设备可以减少二氧化碳₂排放和提供比内燃机更大的能源效率。唯一的废气是水、热量和耗尽氧气的空气。这项技术有着巨大的潜力，但工程师们仍面临着几个巨大的障碍。

氢一直被认为过于昂贵而不能广泛的商业使用。然而，近年来，燃料电池的制造价格大幅下降，使得更多的应用可以负担得起。

经过多年的炒作和希望，氢动力汽车即将进入聚光灯下。本田、现代、丰田和其他汽车制造商正准备推出配备燃料电池的轿车。其他汽车应用包括卡车、公共汽车和叉车。

该技术也用于固定电源应用，如备用发电机和移动电话塔。航空航天工程师正在探索将燃料电池用于辅助动力应用的新方法，如起落架、客舱照明和环境控制。

随着燃料电池行业努力争取市场份额，工程师必须解决许多生产挑战。大多数系统和部件仍然是人工组装的，这提高了制造成本。高速自动化和高通量生产过程将是长期成功的关键。

不同的设备

燃料电池有几种不同的尺寸，形状和品种。它们在基本结构中类似于电池，该电池由阳极（与电池不同，负电极或末端不同），阴极（正电极），电解质（电流流过的导电介质）和分离器（电隔离正电极和负电极）。

氢气和空气之间的燃料电池中的化学反应产生电力。然而，单个燃料电池产生小于1伏的电势，因此必须在称为堆叠的电气系列中连接多个电池。产生的潜在功率取决于包括堆叠的各个燃料电池的数量和尺寸。

燃料电池也会因温度范围而变化。低温燃料电池在60至120℃下操作，并使用聚合物膜作为电解质。高温燃料电池从200至800℃运行，并使用陶瓷。

几种类型的燃料电池技术可以用于商业应用，包括碱性(AFC)、直接甲醇(DMFC)、质子交换膜(PEMFC)、磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)和固体氧化物(SOFC)。

AFC是最熟悉的燃料电池技术，可追溯到1839年。它已被使用几十年来潜艇和航天器的应用。

DMFC技术用于便携式动力系统和叉车。

PEMFC技术应用于汽车、便携式电源系统、无人机、备用电源系统、叉车和住宅热电联产(CHP)应用。

PAFC技术以前用于固定的电力系统，但由于经济效益不佳而被逐步淘汰。

MCFC技术用于大型固定电力系统，从100千瓦到1兆瓦。

SOFC技术用于住宅CHP和大型固定电源系统，范围为1至100千瓦。

氢是PEMFC和PAFC产品运行所需的燃料。dmfc使用稀释的甲醇，而mcfc和sofc使用天然气。

“大部分商业销售来自PEMFC、DMFC和SOFC产品，”制造氢发电机的Element 1公司首席执行官戴夫·埃德伦德(Dave Edlund)表示。“基于千瓦容量的大部分销售来自MCFC和SOFC固定发电厂。”

不断增长的需求

由于燃料电池技术成熟和新市场在未来十年中出现，该行业预计将迅速增长。根据Freedonia Group Inc.的说法，2017年建造燃料电池建造的材料的需求将增长14％至5.2亿美元，远高于电池材料的增加速度。

Freedonia的行业分析师凯伦·凯利·格拉索(Karen Kelly Grasso)表示:“2012年，燃料电池仅占所有电池和燃料电池材料需求的6%，但预计2017年将占9%，2022年将占15%。”

格拉索补充说:“美国商业燃料电池产量的迅速扩大、燃料电池设计技术的持续进步以及制造和运营成本的不断下降将推动市场的增长。”

更大规模的商业化预计最初仍将停留在发电领域，特别是分布式发电领域，因为各公司都在销售基于燃料电池的发电机。例如，eBay最近开始使用犹他州的一个数据中心，该数据中心由Bloom Energy生产的固体氧化物燃料电池供电，该公司在加州森尼维尔组装其产品。

虽然固定电源市场是燃料电池行业的支柱，但最吸引人的应用是汽车。然而，由于巨大的成本、基础设施和技术障碍阻碍了大规模商业化，预计这一市场的发展将更加缓慢。

第一批氢燃料汽车将于今年在南加州(目前美国唯一一个有加氢站的市场)上路。首先推出的是现代图森，它可以行驶300英里满油箱。这些汽车正在韩国蔚山的同一家工厂组装，这家工厂生产图森跨界车的传统汽油动力版本。

明年，本田FCEV概念将首次亮相，其堆栈规模减少了33％，而与本田FCX清晰度有2008年推出。去年，本田与通用汽车的长期合作协议进行了编制的新一代燃料电池系统和储氢技术将在本十年结束时首次亮相。

无鞋面，丰田也将在2015年开始营销燃料电池。丰田工程师一直在尝试这项技术二十年。事实上，他们声称在2015年推出的车辆的动力总成和燃油箱中取得了95％的成本，而2002年建造原创原型的成本相比。

戴姆勒股份公司和福特汽车公司涉及与日产汽车公司的合资企业，计划到2017年延长燃料电池供电的车辆。然而，所有汽车制造商的初始推出将少于少数选择市场。阻止广泛可用性的关键问题是基础架构建设。

“直到最近，燃料电池太昂贵，无法成为汽车工业的实用解决方案，”Grando说。“潜在技术的改进在汽车制造商在更大的压力下提供了零排放车辆的同时，同时提高了成本。”

Grando不希望看到燃料电池车市场直到2020年之后起飞。“加油问题仍然是一个[大障碍]，”她解释道。“通过减少催化剂中铂的使用来降低燃料电池成本的努力将需要继续。此外，燃料电池需要耐用，[只需要]合理的维护。

格拉索指出:“由燃料电池驱动的传动系统将比内燃机简单，就像电动汽车不那么复杂一样。”“会有更少的活动部件，这应该会减少磨损。”

组装的挑战

燃料电池可分为两个基本的子组件：堆叠和植物平衡（BOP）。该堆叠包含数百个电化学电池，以及电流收集，机械支撑和夹紧，以及气体冷却剂流歧管。BOP包括使燃料电池运行的所有其他组件，例如鼓风机，加湿器，阀门，控制和热交换器。

大多数BOP零件由不锈钢制成，但也使用石墨和钛。“高温金属对于热交换器和燃料电池的其他热侧部件非常重要，特别是那些在500到-800℃的范围内运行的，”燃料电池制造项目领先于全国可再生能源实验室。“这些非常昂贵，而且无法容易。非常薄的陶瓷片用于高温燃料电池，通常是精致的处理。“

据Ulsh和其他专家说，燃料电池堆的组装具有挑战性。一个燃料电池堆是由多层阳极、阴极和间隔组件组成的，这些组件需要按照特定的顺序组装。然而，一个商业规模的堆叠需要数百层，而产生足够电力所需的堆叠数量，使得人工快速组装它们几乎不可能，成本也没有竞争力。

“每个部件和每个人的设计都在展示EWI的激光技术领导者”斯坦阵容“。“[燃料电池]需要许多薄，软盘零件，几乎没有泄漏的耐受性。”REAM说激光焊接是燃料电池组件的理想过程，因为“速度，低失真和较低的净成本”。

特别是金属互连，特别是工程师的许多头痛。每个互连可以有几英尺的焊缝，加入两个薄箔。在燃料电池中，存在许多互连，这意味着单个燃料电池可以具有几百英尺的焊接。如果这些焊缝甚至具有小的针孔泄漏，最终燃料电池将会经历灾难性的故障。

英国GB Innomech公司的商务主管蒂姆•米德(Tim Mead)表示:“处理最具挑战性的组件是电极。”GB Innomech是一家专注于高度复杂和劳动密集型制造流程自动化的公司。“它们的活性表面对损坏极其敏感，所以这些板需要用保护性塑料垫片交错，以防止它们在散装储存和组装过程中加入燃料电池堆时彼此接触。”

“此外，阳极和阴极需要正确地朝上或朝下放置，以确保在最后的堆栈中正确的电气连接，”Mead补充说。在堆栈内的氢和氧间隔包括一个垫圈材料，在压缩时形成气密密封。所有的隔离液都必须经过特别设计，以优化电极周围的气体和液体流动。

Mead指出:“一旦添加了所有电极、不同的垫片和端盖，就会将堆栈压缩到预定的负载，形成密封，并在用拉杆手动紧固在一起之前形成气密单元。”“虽然每个组件都不是特别重，但一个商业规模的燃料电池堆有数百层，最终完成的堆由于其重量和体积需要用叉车移动。”

“堆栈有点野兽，”ulsh。“无论您是在低温堆叠中是否具有聚合物和其他柔软的商品，也是在高温堆叠中的薄陶瓷，这些材料相当脆弱。在某些情况下，它们对机械，热或湿度应力非常敏感。

“它们在堆叠期间不能损坏（用电流收集和气体冷却液流硬件分布各个电池）或压缩，因为部件需要均匀的物理接触以正确运行，”ULSH警告。“一些细胞是几厘米的平方，但有些细胞在一侧有几英尺。您有异常，脆弱和脆弱的材料，必须极其精确地对齐，然后必须符合精确和均匀的压力。“

自动化进步

燃料电池用各种方法组装，包括电弧焊接，激光焊接，钎焊，烧结，粘合剂粘合和紧固。但是，由于生产量仍然很低，大多数制造商都不愿投资机器人，输送机和其他形式的自动化。

“在系统级别的装配仍然仍然完全是手动，”索赔ulsh。“[在大多数燃料电池厂]，熟练的人组装堆叠，然后将堆叠和折叠部件放入壳体中。他们做了所有机械，电气和流体连接，以及功能测试。

“制造商知道，市场现在只有这么大，所以他们犹豫了投资过程改进或带来新的[工具]或技术，因为他们不确定他们的收入是否会涵盖投资，”ulsh增加。“这是鸡肉和鸡蛋。人们不想过度投资制造，直到他们更确定[长期需求]。“

预期未来的自动化需求，Greenlight Innovation最近创建了一个新的师，为燃料电池制造商提供交钥匙自动化装配和测试系统。“我们提供标准化的产品，例如自动堆叠装配机器和用于燃料电池堆的线路测试的自动化站，”Greenlight自动化部门经理Gary Cook说。

“我们还有几种用于测试厚度和测量材料的电阻率，在不同的压缩载荷下的厚度和测量电阻率，”厨师添加。“而且，我们刚刚设计了一个半自动叠层装配压力机，具有泄漏测试，带状和集成带焊接。”

“挑战是扩大制造过程，并自动化堆栈的组装到一致的质量，同时还允许操作员安全地操纵堆栈并在生产周期的开始和结束时完成手动处理步骤，”注意GBInnomech’s Mead. The company recently developed a robotic assembly system for AFC Energy PLC, which produces alkaline fuel cells.

“该系统可以在所需的生产速度下快速和安全地组装商业规模的燃料电池堆，”米德说。“它包括完整的组件可追溯性，为每个堆栈提供完整的构建记录，并且还具有内置的灵活性，以便可以轻松快速地重新配置，以便在需要时组装堆栈，具有更高或更低数量的层。”