超越传统电池：氢燃料电池如何驱动重型运输行业发展

在锂离子电池（LIB）快速发展的极大助力下，我们在交通运输行业减少碳排放的工作取得了巨大成功。今天，锂离子电池技术在笔记本电脑、手机和割草机等各种可充电设备中已经得到了广泛应用，并且其应用规模已经扩展到日常路上可见的几乎所有类型的电动汽车（EV）。随着充电基础设施日益普及，锂离子电池已经一跃成为目前绿色交通行业的领先技术。

但随着时间推移，锂离子电池技术的主导地位很可能发生改变。如氢燃料电池（HFC）在工业和商用运输行业（例如叉车、公交车和长途运输卡车等）中正产生重要影响。但这两项技术之间并非竞争关系。氢燃料电池和锂离子电池两者之间的差异使其在交通行业减碳方面的作用有所不同。其中，锂离子电池主要用于乘用车；而运输行业，需要通过快速补能实现长续航从而摆脱对化石燃料的依赖，这则是氢燃料电池的主要应用领域。

氢燃料电池：当前进展如何？

与锂离子电池技术相同，氢燃料电池技术一直在持续进步，并吸引了来自政府部门和私人部门的大量投资。在交通运输行业，氢燃料电池车辆（FCEV）的续航能力远大于锂离子电池车辆，同时补能时间也相对较短。例如在2024年1月，尼古拉公司（Nikola Corporation）在美国推出了续航里程为500英里且预计补能时间仅需20分钟的氢动力卡车。

氢燃料电池还大量用于为仓库内的叉车提供动力搬运重物。此外，在一些因实际情况或经济原因无法实现铁路电气化的地区，氢燃料电池正逐渐开始作为火车的动力来源。

预计未来增长势头迅猛

从2024年到2030年，预计全球燃料电池市场（包括交通运输、商业和工业、住宅、数据中心、国防、公用事业和政府行业等）规模的年复合增长率将飙升至27.1%。2023年，仅交通运输行业的燃料电池市场规模就达到了35.3亿美元。

预计，重型卡车和公交车的使用的大幅增加，以及将氢燃料电池用于航空、航运行业等新兴商业和工业应用领域，将会是氢燃料电池在交通运输行业需求量增长的主要驱动力。考虑到航运及航空行业要求单次充电或充能后要保证较长的续航距离，而锂离子电池由于无法储存足够的电量而难以满足需求，氢燃料电池技术将会是更好的选择。

尽管氢燃料电池技术在很多应用领域展现出了很好的前景，但目前仍面临着许多难题，例如如何在生产过程中保证较高的质量，如何建设可靠的补能基础设施等。同时，氢气本身腐蚀和易燃的特性也会产生较高的风险，因此需要专门的运输和储存设施。

氢燃料电池质量控制的难题

用于电动汽车的氢燃料电池使用质子导电聚合物膜作为电解质，这一类电池称为质子交换膜燃料电池，简称为“PEM电池”。

与其他电池相同，PEM电池同样有负极、正极和电解质。其基本反应是氢气在负极转化为H⁺离子，氧气在正极转化为O^-离子。氢和氧离子结合会产生水。

两个电极都需要催化剂来产生离子。催化剂会涂覆在PEM电池表面，形成很薄的一层薄膜。在负极侧，通常使用铂或铱作为催化剂，而在正极侧则使用镍。涂层的厚度、纯度和均匀与否对燃料电池在其使用寿命内能否正常工作非常关键。在燃料电池中，如果存在铁污染，则铁会与过氧化氢发生反应，在费托反应过程中形成自由基（如下所示）。

芬顿反应： Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO^. + OH^-

H₂O₂ + HO^. → HO₂^. + H₂O

这一反应会损坏燃料电池的离子交换膜，直接导致燃料电池性能退化。

因此，监测铂和铱涂层的完整性，并检查膜电极组件（MEA）中是否存在铁颗粒（和其他金属污染物）至关重要。