燃料电池技术的新发展道路——在重型运输中的应用

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2021年10月29日，由国家电投氢能公司、内蒙古公司、中车大同公司合作开发的全国首台氢燃料电池混合动力机车在内蒙古锦白铁路正式上线运行，代替内燃机车承担了主要作业任务，氢能燃料电池再一次抢眼地进入大众视野。

图1. 全国首台氢能机车在国家电投锦白铁路试运行

与此同时，受可再生能源更灵活利用、国家能源使用安全的驱动，世界各大国家陆续绘制氢经济路线图，强调需要加快全球对氢生产、储存、基础设施和运输、工业和电网利用的研发活动的投资。

自1970年代末期以来，美国能源部（DOE）一直支持燃料电池运输和大规模制氢的研究和开发，并计划到2050年，氢能实现满足国内14%的能源需求和世界24%的能源需求，其中30%用于运输。

欧洲预计至2050年，氢能产生25%的欧盟能源需求，并可能在欧洲生产5000万辆的燃料电池汽车，德国最近宣布为氢能和燃料电池提供90亿欧元的资金；中国近年来尤其大幅扩大了对燃料电池的支持，据报道2018年的补贴额度高达124亿美元。

图2.欧洲城市希望通过安全清洁的氢燃料车队改善当地空气质量。

由于氢具备高质量能量密度的特性，利用氢燃料的技术的重点最近已从轻型汽车转向重型汽车应用，这是受重型运输市场的需求和锂离子电动车差异化所决定的：

首先，质子交换膜燃料电池（Proton electrolyte membrane fuel cell, 简称PEMFC）与轻型轿/客车中使用的传统内燃机相比具有许多优点，包括更高的效率（>60%），同时提供相似的行驶里程（>300英里）和加油时间（<5分钟）；

第二，虽然轻型轿/客车的燃料电池已经开发了二十多年，但是重型运输的应用直到最近才引起了广泛关注，这是转变是由燃料电池在功率和能量方面的独特可扩展性促成的。通过增加燃料电池堆或氢罐尺寸可以直接实现增大功率的目标，额外的重量损失比锂离子电池要小得多。

第三，锂离子电池成本的大幅下降使其快速进入了各类车辆市场，虽然燃料电池使用成本与其相近，但配套基础设施（加氢站、运氢管路等）的严重缺乏限制了燃料电池在轻型轿/客车中的应用，而重型车辆通常有着专用且可预测的路线，需要更少的加氢站，对配套的商业基础设施投资需求相应较少。

图3. 从轻型汽车向中型和重型应用燃料电池过渡的路线图，插图展示了三类车辆的运营成本和资本驱动成本之间的权衡

综上，考虑到加油时间和固有高功率密度等优势，质子交换膜燃料电池对于需要高功率密度、路线明确的中型和重型运输都具有明显的优势。

随着政府对生产更便宜氢气的投资、相关技术开发投资政策的持续扩大，阻碍燃料电池因素也正在慢慢削弱，这方面的进展从不断扩大的公共汽车和卡车车队示范项目数量上可以体现出来，欧洲和中国的发展尤为迅速。

图4. 河北省张家口市的氢燃料电池客车。图片来源：金融时报

初步研究表明，燃料电池在货运和区域运输中对比柴油发动机具有30~35%的效率优势，在船用柴油机应用上也具备明显的排放优势（国际海事组织目标自2020年起船用燃料硫含量不应超过0.5%），但电池的耐久性是一项重大挑战，因为货运所需发动机寿命为10~15年，35000工作小时和约360万英里行驶路程，集装箱船所需则高达25年和75000~100000工作小时。

图5. 不同交通工具的平均年行驶里程

解决燃料电池的耐久性问题可以从以下方面进行优化：

1、电池系统策略

降低整体欧姆电阻和传输电阻，实现更高的电流密度；

限制电压上限和/或下限（即阴极电位）等策略防止催化剂溶解；

在启停切换阶段耗尽阴极的氧气，防止电池反极导致的催化剂-碳载体的氧化；

低电压启动以最大限度提高热量产生，或在低于冰点温度下除去液态水并对MEA除湿，防止结冰导致的电极分层和其他性能损失；

合成更耐久的离子交换膜，防止铁离子等污染物迁移到离子交换膜。

2、材料优化策略

合成具备高活性高稳定性的Pt-过渡金属金属间化合物催化剂；

将石墨化载体与具备强相互作用的锚定催化剂的元素掺杂在一起，沉积金属氧化物，或碳覆盖层，保护和稳定铂颗粒，避免溶解、迁移和聚集等问题；

使用添加剂（如铈和锰的氧化物）清除会攻击离子交换膜的自由基，通过侧链改性和预处理步骤改善膜的性能；

优化电极浆料配方以控制催化剂与离子交换膜的相互作用，达到更高的性能；

改变气体扩散层的疏水性，如羧甲基纤维素的添加已被证实可以提高气体扩散层在加速老化时的耐久性，降低欧姆电阻和传质电阻的变化；

开发兼具成本和耐腐蚀性的双极板，如开发耐腐蚀、导电性良好的铝涂层覆盖在不锈钢上，碳复合双极板则是另一条有效的路径。

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【展望】

对于氢能和燃料电池技术来说，现在是一个激动人心的时刻。过去十年中，由于全球对氢能源、能源系统脱碳的兴趣日益浓厚，燃料电池材料、集成和制造的发展持续加速。

在运输领域，我们将看到燃料电池的发展重点即将从轻型应用转向重型应用，这种转变源自锂离子电池成本的降低，使得燃料电池现有技术和分布式氢气基础设施的布置受到了挑战。从轻型车辆到重型车辆的发展转变加剧了燃料电池耐久性和效率的挑战，需要材料和系统创新，使新型氢能汽车能够更好的利用其高效率、高功率密度和可扩展性等优点。

随着重型车辆各项目的启动，配套的加氢设施也将为轻型燃料电池的广泛应用铺平道路，相信在不久的将来，我们将驾驶安静快速的燃料电池汽车，像加油一样为汽车充氢气，实现真正的“零”排放！

图6. 加氢站示意图

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【参考文献】

(1)Cullen, D. A.; Neyerlin, K. C.; Ahluwalia, R. K.; Mukundan, R.; More, K. L.; Borup, R. L.; Weber, A. Z.; Myers, D. J.; Kusoglu, A. New roads and challenges for fuel cells in heavy-duty transportation. Nature Energy 2021, 6 (5), 462.

(2)https://www.rolandberger.com/en/Insights/Publications/European-cities-bet-on-hydrogen-fuel-cells-to-help-meet-emission-targets.html

(3)氢能观察：设计时速 80 公里，全国首台氢燃料电池混合动力机车在内蒙古试运行

(4)https://climateadaptationplatform.com/hydrogen-goop-stable-way-of-conveying-hydrogen-energy/