工業化的推進中對化石燃料的依賴給環境造成了巨大的壓力。而氫作為一種清潔燃料，被視為化石燃料良好的替代品，其來源豐富，能量轉化率高，在交通等多個領域都有著重要的應用。而以氫燃料電池為動力的汽車排放和污染幾乎為零，被稱為是“綠色燃料”汽車。本文將嘗試對氫燃料電池的優缺點、在國際上的應用現狀和國內技術現狀進行解析。

　　氫燃料電池指的是使用氫來制造成存儲能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，反應過程的產物是水和電。具體反應過程為：在催化劑的作用下，電池陽極上的氫分解為電子和質子，帶正電荷的質子和帶負電荷的電子分別穿過隔膜到達陰極和外部電路運行，陰極上的陽離子和質子、電子發生反應生成水，這就是電能產生的具體反應過程。通過大量串聯的燃料電池，電池組產生的電能足夠對汽車進行驅動。

　　氫燃料電池優缺點并存

　　首先氫燃料電池具有較高的能量轉換效率，且綠色環保。燃料電池不是通過儲能(蓄電池)或者燃燒(柴油、汽油)方式，而是采用化學反應，該過程對環境無污染，只會產生熱和水。如果氫是通過風能、光伏電池板等可再生能源產生的，整個過程都不會有有害物質產生和排放。氫燃料電池的第二個優點就是噪聲低、無振動且使用壽命長。按照氫燃料電池的工作原理，只要外部源源不斷地供給燃料和催化劑，電能就可以被不間斷地被釋放出，氫燃料電池的使用壽命比普通的充電電池或原電池要高得多。由于燃料電池的運行過程非常安靜，沒有回轉運動和往復運動的部件，噪聲只有55分貝左右，這和人們正常交談的水平相當。另外，在整個工作過程中機械器件的磨損較少，沒有機械振動和噪聲，氫燃料電池的使用壽命也得以延長。

　　氫燃料電池的制氫原料來源廣泛、充電時間也相對較短。其使用的制氫原料多，其中自然界中的水存儲著大量的氫，可以通過水分解制氫;再生能源也是制氫的重要原料，還可以取柴油、汽油、甲醇、天然氣等進行氫的制備。氫是燃料電池所需要的主要燃料，一般只需要幾分鐘來充氣或者更換氫氣瓶，相較于純電動汽車的蓄電池充電，氫燃料電池的能源補充更快。

　　盡管具有一些系列的優點，但不可否認的是氫燃料電池發展仍然存在不少局限性。一方面，其燃料具有單一性，技術復雜程度高，且電池成本高。可用作燃料電池的燃料僅有氫，而氫氣的產生、運輸、保管、存儲或重整對安全性要求高，不僅復雜且成本昂貴，造成電池制造的成本過于高昂。同時，氫燃料電池還要求十分嚴格的密封性，極小的氫氣分子很容易泄露，萬一泄露，造成的后果不可估量，因此氫燃料電池對密封性要求嚴格。電池發動機的制造工藝也在這一嚴格要求下變得更加復雜，這給使用過程和維護過程都造成了很多麻煩。

　　此外，電動汽車在使用氫燃料電池是需要配備輔助電池系統。盡管能夠持續發電，但燃料電池不能充電，也不能對燃料電池電動汽車再生制動的反饋能量進行回收。因此，為了儲存富裕的能量，輔助電池或者超級電容器通常需要安裝在電動汽車上，在汽車減速時對再生制動產生的電能進行接收。

　　國際上當前燃料電池市場的霸主是日本與美國

　　從1990年以來，在日本政府部門的支持下，日本對燃料電池汽車需要的設備、新技術展開了研究。現階段日本在燃料電池方面的技術最為全面，占據了絕對的領先地位。2014年，“氫社會”戰略路線圖發布，日本產業經濟省提出，到2020年，日本將著力于擴大本國燃料電池汽車和固定式燃料電池的使用量，在氫燃料電池世界市場中占據領先地位。到2030年，氫燃料的應用范圍和需求進一步擴大，全新的二次能源結構得以構建。到2040年，建立CO₂零排放的氫供應系統，屆時CO₂捕獲和封存技術將被廣泛應用于氫燃料的生產中。此外，日本政府還在2017年12月26日發布了“氫能源基本戰略”，進一步明確了2030年的具體行動計劃和2050年氫能社會建設的目標。

　　另外，氫能和燃料電池被美國政府確定為維系國家安全和經濟繁榮的必須發展的、至關重要的技術之一。當前美國能源部特定的目標主要有從現有資源和未來資源中獲取氫能、燃料電池研究和自由汽車計劃三個。美國國防部的研究主要集中在燃料電池和氫能在軍事方面的應用，研究重點是固體氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池。

　　與此同時，現階段，歐洲擁有全球七成的燃料電池和氫能示范項目，而德國對氫燃料電池的商業化方面占據了領先地位，有超過350家德國科研機構與公司活躍在這一領域。德國在燃料電池專利申請數量排名第三，重點關注燃料制備與儲存、燃料電堆等技術細節。從技術分類和技術應用方面來看，德國更為關注燃料電堆、燃料制備與存儲和燃料電池在車輛上的應用。

　　而韓國政府在“21世紀前沿科技計劃”中將氫能研發列為了主攻技術領域之一。在韓國政府的支持下，“氫能研發中心”成立起來，針對韓國10年內氫能的發展，該中心將目標分解為涉及氫生產、利用和貯藏三方面內容的三個階段，目前研發中心的工作內容已經進入推廣執行階段。在“能源技術研發10年計劃”的指導下，韓國取得了專利申請書排名第四的成績。從專利技術細節、技術分類、應用三個角度來看，韓國更加關注的分別是膜電極組件、甲醇與熔融碳酸鹽燃料電池技術和燃料電池便攜式使用。

　　我國氫燃料電池與國際先進水平相比落后了5-10年

　　目前，燃料電池專利數量上我國全球排名第五。從技術細節、技術分類兩方面來看，我國更為關注的是電極、催化劑和質子交換膜燃料電池技術。我國企業在燃料電池專利上的申請數量相對較少，主要集中于高校和研究院所。

　　與此同時，與先進國家相比較，我國氫燃料電池技術水平差距仍然較大。一方面，相關技術還處于工程化開發階段，與世界標桿產品相比，可靠性、冷啟動、功率特性等主要技術性指標還存在很大差距;另一方面，盡管我國擁有數量較為豐富的專利，但對核心技術的涉及較少，成本高，技術標準有待進一步完善;空氣機、高壓儲氫罐、氫循環泵等關鍵零部件和雙極板、催化劑等關鍵材料基本不具備產業化的能力。國際上，氫燃料電池汽車已經逐步進入商業化階段，而我國相關產業和技術落后了5-10年(見表1)。

表1 國內外燃料電池整體性能對比

　　（來源：國金證券所調研報告）

　　結語

　　氫作為一種清潔燃料，被視為化石燃料良好的替代品，氫燃料電池噪聲低、無振動、使用壽命長、對環境無污染，且制氫原料來源廣泛。在國際上，當前燃料電池市場的霸主是日本與美國，德國與韓國也占據著領先地位。但我國氫燃料電池與國際先進水平差距較大，可靠性、冷啟動、功率特性等主要技術性指標還存在很大差距，現有專利對核心技術的涉及較少，關鍵材料和器件基本不具備產業化的能力，而我國相關產業和技術落后了5-10年。