综述：可持续交通领域燃料电池技术的进展与未来发展方向：综合综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advances and future directions in fuel cell technology for sustainable transportation: A comprehensive review

　　

摘要

交通运输领域依然是全球二氧化碳排放的重要来源，这凸显了采用燃料电池技术等可持续能源解决方案的重要性。本研究探讨了燃料电池在实现零排放交通方面的作用，重点研究以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池。文中分析了这类燃料电池在公交车、汽车、火车和船舶中的应用情况。同时，针对重型及高可靠性应用场景，特别研究了高温燃料电池，即固体氧化物燃料电池和磷酸燃料电池。燃料电池推广所面临的主要挑战包括经济、技术、监管、政策以及心理因素，这些因素都得到了深入分析。此外，本文还对比了其他动力系统技术，并从生命周期和成本角度进行了分析。总体而言，本研究对燃料电池技术在交通运输领域的应用成熟度及未来研究方向进行了系统性评估，为向清洁能源转型提供支持。

引言

温室气体排放一直是全球关注的焦点，而化石燃料的燃烧被认为是导致气候变化及其相关环境和健康问题的主要因素[1]。这类排放物通常根据其在大气中的停留时间进行分类：一类是停留时间较短、会对臭氧层造成影响的物质，如二氧化硫和一氧化碳；另一类则是停留时间较长、会影响气候系统的物质，如二氧化碳、甲烷和二氧化氮[[1], [2], [3]]。2025年时，农业、建筑、能源系统、工业以及交通运输领域占据了全球温室气体排放的大部分[4]。其中，道路车辆的排放量最高，其次是航运、铁路和航空领域，这一情况进一步凸显了通过可再生能源实现交通领域脱碳的紧迫性[[5], [6], [7], [8]]。

为应对这些挑战，人们开始研发各种替代性车辆技术，包括电池电动汽车和燃料电池汽车[[9], [10], [11], [12], [13]]。表1总结了这些替代技术的主要特点。这类车辆依靠低碳能源驱动，也就是可再生能源电力和电解氢气。尽管氢气具有易燃性，存在安全风险，但燃料电池汽车能够提供持续的动力输出，且尾气排放为零，其性能与电池电动汽车相当，因此有望成为混合动力汽车和插电式混合动力汽车的替代品[14,15]。根据工作条件以及电解质类型的不同，燃料电池可分为直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及磷酸燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池由于具备较宽的工作温度范围、较高的电流密度、结构紧凑以及较强的机械稳定性，是目前最为成熟且在交通运输领域应用最广泛的燃料电池类型[16,17]。而高温燃料电池，尤其是固体氧化物燃料电池和磷酸燃料电池，由于燃料适用性强且运行稳定性高，更适合用于重型及需要持续供能的场景[18,19]。本研究围绕交通运输领域的燃料电池技术展开探讨，涵盖了相关基本原理、系统设计及材料方面的最新进展，以及这些技术在各类交通工具中的应用情况。同时，本文还从技术、经济、监管、政策以及消费者接受度等多个角度对相关问题进行了分析，并提出了燃料电池驱动的交通系统未来的研究方向。

章节节选

研究方法

本综述研究了燃料电池技术及其在可持续交通领域的应用前景。研究者通过“燃料电池汽车”、“氢能汽车”、“可持续交通”、“温室气体排放”、“零排放车辆”、“燃料电池/氢能公交车”、“燃料电池/氢能船舶”、“燃料电池/氢能火车”以及“生命周期评估”、“燃料电池技术效率”、“质子交换膜燃料电池”、“固体氧化物燃料电池”和“磷酸燃料电池”等关键词，收集了相关文献。为了掌握最新的研究成果，研究还进行了持续的信息检索。

燃料电池技术

燃料电池通过氢气或富含氢气的燃料进行电化学反应来产生电能，其排放量远低于传统发电方式。传统能源系统是导致公共卫生问题、环境恶化以及能源安全问题的重要原因[[20], [21], [22]]。全球每年约有510万人因这些传统能源相关问题而过早死亡[23]。2019年时，细颗粒物和臭氧的暴露又导致了大约800万人出现健康问题

燃料电池在交通领域的应用

氢气是燃料电池系统的主要能量载体，它可以通过水电解（绿色氢气）、蒸汽甲烷重整（灰色氢气）以及碳捕获与封存（蓝色氢气）等多种方法制得[103]。Inci和Demir[104]根据能源供应方式对燃料电池技术进行了分类，区分了独立型燃料电池系统和混合型燃料电池系统（见表6）。在交通运输领域，将燃料电池系统与电池相结合是一种有效的方案，有助于弥补氢能系统的不足之处，

燃料电池堆的寿命

在汽车系统中，燃料电池堆是主要的能源供给装置，它为电动机提供动力，同时还能为电池充电。了解燃料电池堆存在的问题对于提升其可靠性、降低成本以及提高其实际应用价值具有重要意义。燃料电池堆在汽车使用场景和固定式应用场景下的工作条件存在差异，而这些差异会直接影响其使用寿命。燃料电池堆的性能下降可能是由频繁的启停操作、低温环境、氧气压力、湿度变化、温度波动以及不同的负载情况共同导致的[104]。在移动应用场景中，

对比分析：燃料电池与其他替代技术

在探讨了各项技术的可行性以及应用障碍之后，接下来就需要判断燃料电池驱动的交通系统是否真的能够带来环境和经济上的双重效益。为了减少温室气体排放并缓解气候变化，过渡到替代性交通方式至关重要。本文对燃料电池汽车、电池电动汽车、插电式混合动力汽车以及传统内燃机汽车的优势和局限性进行了比较，分析了排放水平、能源效率、行驶里程、基础设施配套情况、技术发展程度等关键因素

结论

为降低全球气候变化带来的影响，实现交通运输领域的脱碳是一项至关重要的战略，而燃料电池技术则被视为一种极具潜力的零排放解决方案，尤其是在传统电气化方案存在诸多限制的情况下。本综述系统地分析了燃料电池技术的发展状况、系统集成方式以及基于氢气的燃料电池在交通领域的应用情况，重点研究了质子交换膜燃料电池和高温燃料电池。分析结果表明，质子交换膜燃料电池是目前较为成熟的

作者致谢说明

概念构思、数据整理以及初稿撰写：Hazlina Junoh；概念构思、文章审阅与编辑工作以及项目监督：Hassan Mohamed；初稿撰写：Nur Atiqah Mohamad Aziz；初稿撰写：Kai Ling Yu；初稿撰写：Bidattul Syirat Zainal；文章审阅与编辑工作以及项目监督：Hwai Chyuan Ong；文章撰写与编辑工作以及项目监督：Ker Pin Jern；初稿撰写：Nuha Awang；概念构思、文章审阅与编辑工作以及项目管理工作：

关于本文撰写过程中所使用的生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明

在撰写本文的过程中，作者们使用了包括ChatGPT 4.o在内的各种人工智能工具，以提高文章的可读性，同时还使用了Grammarly工具来确保文章的语法准确无误。在使用这些工具或服务之后，作者们对文章内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者们声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

作者们要在此表达感谢之情，感谢马来西亚国家能源大学可持续能源研究所的支持，该研究所为这项研究提供了高等学府卓越中心基金[JPT.S(BPKI)2000/016/018/015Jld.4(21)/2022002HICOE]，以及电力供应行业信托账户的“可再生能源”专项资助202004KETTHA、“Dato’ Low Tuck Kwong国际能源转型”专项资助202203003ETG，还有BOLD Refresh出版基金[J510050002-IC-6BOLDREFRESH2025]提供的支持，这些资助对于这项研究的开展起到了重要作用

Hazlina Junoh|Hassan Mohamed|Nur Atiqah Mohamad Aziz|Kai Ling Yu|Bidattul Syirat Zainal|Hwai Chyuan Ong|Ker Pin Jern|Nuha Awang|T.M. Indra Mahlia|Faten Ermala Che Othman|Nuor Sariyan Suhaimin

马来西亚雪兰莪州卡让市Ikram-UNITEN路，国家能源大学可持续能源研究所，邮编43000