为应对全球气候变化，2020年我国提出了“碳达峰与碳中和”的目标，旨在加快降低碳排放步伐，引导绿色技术创新，提高产业和经济的全球竞争力。在可再生能源中，氢能源因其高效、可再生、无污染等优势而备受关注。作为一种清洁的能源，氢燃料电池逐渐成为新能源汽车产业的重要组成部分。
氢燃料电池是一种将氢和氧气通过化学反应产生电能的设备（图一）。氢燃料电池的基本原理是：将氢气通入阳极，将氧气通入阴极，使得氢分子在阳极催化剂的作用下分解成质子和电子。电子从阳极通过外部电路流向阴极，同时在阴极与氧气发生还原反应，产生水和电能。这种反应过程没有污染物产生，只产生水和热量。氢燃料电池可以分为多种类型，例如固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池等。不同的燃料电池类型适用于不同的场合，但总的来说，氢燃料电池的基本原理是相同的。
图一 氢燃料电池的基本原理图解
一、氢燃料电池在新能源汽车产业中的优势
氢燃料电池是一种高效、环保的新能源汽车动力源，相比于传统新能源汽车的充电电池具有诸多优势。氢燃料电池节能环保，能源利用率高，补充能量快，续航里程长，安全性高，促进能源转型。这些在新能源汽车产业中具有独特的优点使得氢燃料电池在未来新能源汽车产业中成为一个不可忽视的发展方向。
（1）氢燃料电池零排放，效能高。氢燃料电池汽车环保性好，运行过程中只排放水和热，符合环保要求，能量转化效率高达50%。传统的内燃机汽车的排放包括有害气体（如二氧化碳、氮氧化物和挥发性有机化合物）和固体颗粒物，对环境污染严重，能量转化效率只有20%左右。这意味着氢燃料电池汽车能够以更少的能量浪费，更低的能源消耗，无污染地，完成更长的续航里程。
（2）氢燃料电池汽车加氢快速，续航里程长。氢燃料电池汽车所谓的“电池”，不蓄电只发电，氢燃料电池汽车的续航里程与电池密度或蓄电池储能无关，取决于储氢罐能装多少氢源。氢燃料电池汽车的燃料充电速度快，只需要几分钟就可以完成加氢，燃料补充时间与燃油车相当。而传统电动汽车使用快充充电需要至少30分钟才能达到充电80%，如果使用慢充充电时间将大于6小时。这使得氢燃料电池汽车在使用效率和便利性上具有非常大的优势。
（3）氢燃料电池汽车的安全性和可靠性相比燃油车和纯电动车更高。氢燃料电池的发电过程是在物质的原子水平上发生的，从理论上来说没有热辐射，在实际应用过程中，电池的最高温度也在100度以下，通过冷却措施，温度能够达到更低，并且由于氢燃料电池失能甚微，即使破裂也不会发生爆炸。另一方面，氢燃料汽车对储氢系统进行严格的安全措施和测试，使用的储氢罐为IV型高压氢气瓶，采用纤维缠绕复合材料来保障罐体的刚度和强度，单位重量的碳纤维复合材料的强度是钢材的6倍，其刚度是钢材的4倍。因此，碳纤维复合材料比钢材更轻、更安全可靠。在1.8米的落差测试实验中，高压氢气瓶并没有受到损坏。同时在枪击和碰撞试验后，高压氢气瓶仅仅只是喷射出了所有的氢气，而氢气则快速地扩散到了空气中，也并未发生爆炸。此外，与电池电量不足或电池老化等相关的问题相比，氢燃料电池汽车的使用寿命相对较长，不会受到温度、湿度等环境因素的影响。
（4）促进能源转型
氢燃料电池作为一种可再生、高效、无污染的能源，对减少二氧化碳等温室气体排放、实现“碳达峰、碳中和”目标具有非常重要的意义。世界范围内一些主要的发达国家和经济体已将氢能视为能源转型的重要战略选择，持续加大投入、加强布局，抢占氢能产业发展制高点。我国也不断出台政策系统谋划和整体推进氢能产业高质量发展，国家发展改革委于2022年发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，鼓励和支持氢燃料电池的发展，实现产业链良性循环，促进能源结构转型，降低碳排放和环境污染，更有助于实现“双碳”目标，实现可持续发展。
二、氢燃料电池在新能源汽车产业中的发展趋势
氢燃料电池相比于传统新能源汽车的充电电池具有诸多优势，但仍存在核心技术研发、培育产业链、完善氢能基础设施、国际间合作等难题，需要科研人员、汽车制造商、整车企业、政府等多方面的努力和支持。根据目前的研究，氢燃料电池汽车在未来新能源汽车产业中的发展趋势主要如下所述。
（1）加大氢燃料电池相关技术研发投入。寻找高效且成本较低的质子交换膜以及催化剂，完善双极板材料改性和流畅设计，提升空压机性能，发展制氢、氢纯化、储氢技术等都将会是未来氢燃料电池技术研发的重点课题之一。要实施金融政策、产业组织政策和企业帮扶政策等相关政策，加强笼统企业建设，加大人才培养和引进力度，建设一支稳定的专业人才队伍，有效地加快企业的自主研发能力，不断突破制造材料昂贵、稀缺的瓶颈，自主研发高效能低成本的新材料，有效地推动氢燃料电池的应用和产业的发展。氢燃料电池汽车的成本将进一步降低，性能将进一步提高，实现批量生产，更加符合大众对于环保、高效、便利的需求。
图二多家企业研发投入氢能源领域
（2）积极推动完善氢燃料电池产业链。我国氢燃料电池产业链较长，主要分上游、中游、下游三个部分。上游主要氢燃料电池设备及关键材料，包括金属/石墨双极板、质子交换膜、催化剂、气体扩散层等原料和空压机、氢气循环泵等设备；中游为氢燃料电池系统集成，主要包括氢燃料电池电堆、气体循环系统及其他辅助系统；下游应用于固定电站、工业电子、交通运输、航空军事等领域。受国内工业水平的影响，目前氢燃料电池在新能源汽车产业中的应用还处于发展的初级阶段，核心部件和主要零构件仍然依赖进口。以国家政策为引导，对燃料电池产业扶持的中心向上游核心材料和设备转移，出台一系列技术攻关研发、产业链培育等措施，把核心部件的技术掌握在自己手中，打造整个产业链核心竞争力，促进我国的氢燃料电池汽车产业发展。
（3）加强氢燃料电池产业的国际合作和交流。近年来，多个国家都先后推出了氢能发展战略，如：2019年日本发布第五次能源基本计划，推动工业界、学术界、政界联合行动，实现“氢能社会”；2020年德国推出国家氢能战略，引领全球绿氢发展，在2050年实现零碳能源转型；2021年意大利推出国家氢能战略，提出2030年实现氢能占比2%。全球对于发展氢能、推动燃料电池应用、实现“碳中和”及能源绿色化达成共识。发达国家在氢能研究方面出于明显优势，我国应加强国际科研交流合作，推动氢能技术创新和产业发展，携手共建低碳绿色家园。
三、氢燃料电池在新能源汽车产业中的挑战与未来发展
随着技术的进步和产业的发展，氢燃料电池的成本逐渐降低，技术研发和产业协同不断加强，基础设施建设逐步完善，国内外企业行程合作与竞争的市场关系，提高氢燃料电池汽车普及率，实现可持续发展未来可期。
（1）目前，氢燃料电池汽车面临着成本高、设施不完善、技术水平、市场推广等诸多问题。氢燃料电池的成本较高，并且氢燃料电池汽车需要氢气加注站提供燃料，因此需要建设大量的氢气基础设施，是制约其普及和产业化的一个重要因素。如何降低氢燃料电池的成本，提高其性价比，是当前需要解决的重要问题。氢燃料电池是一个技术密集型产业，需要不断进行技术创新和研发，以提高其性能和降低成本。需要加强技术创新和研发投入，提高我国氢燃料电池产业的技术水平和市场竞争力。氢燃料电池在新能源汽车产业中的应用还处于初级阶段，大规模市场推广还有较大困难。在未来，需要加强市场推广，提高消费者的认知度和接受度，以推动氢燃料电池的应用和产业发展。
（2）在氢燃料电池产业中，国内外企业均在积极探索和开发新技术，形成了激烈的市场竞争。同时，氢燃料电池产业也需要国际合作和交流，以共同推动技术创新和产业发展。在未来，需要平衡竞争与合作，促进氢燃料电池产业的健康发展。
（3）尽管氢燃料电池在新能源汽车产业中面临着一系列挑战，但是其未来发展前景仍然十分广阔。随着技术的不断进步和产业的发展，氢燃料电池的成本将逐渐降低，性能将不断提高，基础设施建设也将逐步完善。氢燃料电池有望成为未来新能源汽车产业中的一个重要组成部分，为人们提供更加清洁、环保的出行方式。
氢燃料电池在新能源汽车产业中具有广阔的发展前景和重要的应用价值。目前，虽然面临着一系列挑战，但是政策支持、技术创新和产业协同等方面都有了积极的进展。在未来，需要加强技术研发和产业协同，提高氢燃料电池的性能和降低成本，加快氢气基础设施建设，加强市场推广和国际合作，以推动氢燃料电池产业的快速发展，实现可持续发展和环境保护的目标。
