氢燃料电池

一、基本概述

氢燃料电池（hydrogen fuel cell）是一种通过电化学反应将氢气的化学能直接转化为电能的高效能量转换装置，通过氢、氧结合生成水的过程释放能量，全过程不产生二氧化碳、硫氧化物等温室气体或排放污染物，是实现交通、工业等领域深度脱碳的关键技术之一。

二、分类信息

三、详细解释

氢燃料电池是基于电化学原理的能量转换系统，主要由电堆、氢气管理系统、空气管理系统、热管理系统以及控制系统构成，电堆是氢燃料电池的核心，一般由多个单体电池堆叠而成，每个单体电池都由阳极、阴极和电解质组成。燃料电池工作时，氢气在阳极被电催化氧化为质子，释放电子，质子穿过电解质到达阴极，与阴极侧的氧气在电催化剂作用下反应生成水，电子则通过外部电路形成电流。

图1 氢燃料电池工作示意图。（图源：参考资料[1]，作者汉化）

氢燃料电池具有以下核心优势：

第一，零污染排放：燃料电池的排出物是水，不产生环境污染，其全生命周期碳排放取决于氢气来源，若使用清洁低碳氢（如蓝氢或绿氢），可实现近零碳排放。

第二，能量效率高：燃料电池通过燃料和氧化剂之间的化学反应直接将化学能转化为电能，不涉及燃烧和热机做功。燃料电池的热力学能量转化效率超过90%，在实际应用的燃料电池系统中，能量转换效率也可高达60%以上。

第三，应用场景灵活：兼具模块化设计与静音特性，可适配车辆动力、船舶推进、固定式发电等多种场景。

四、应用领域/前景

随着全球对清洁能源的需求不断增加，氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，具有巨大发展潜力，在交通领域、工业领域得到广泛应用。

在交通领域：氢燃料电池率先于商用车方向实现规模化落地。目前中国氢燃料电池车保有量超2.5万辆，其中，公交车辆及重型卡车占比较高，在长途重载场景展现出经济性优势，在政策支持下（如氢能高速过路费减免、路权优先等），氢燃料电池重型卡车全生命周期成本已能够实现与LNG车型相竞争。目前，我国已建成全球最大的燃料电池汽车示范城市群，山东、山西等省份的部分城市路网以及成都等示范城市要求2025年推广千辆级商用车。船舶与轨道交通成为新增长极，国际海事组织碳税政策驱动甲醇燃料船舶订单大幅增加，带动绿色氢能需求；中车株洲氢能机车完成万吨装车试验，为港口、矿山等场景提供零碳解决方案。在航空领域实现颠覆性突破，实现全球第一架吨级液氢混动垂直起降飞行器（electric vertical take-off and landing，eVTOL）试飞成功，为长航时飞行开辟新路径。

在工业领域：氢燃料电池可用于工业园区“绿电－制氢－储氢－发电”闭环系统，提升可再生能源消纳能力；可用于通信基站、数据中心等，作为高可靠性的备用电源使用；此外，还可用于偏远地区分布式发电，解决电网覆盖难题。

根据国家发展改革委、国家能源局发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，我国将通过政策引导突破氢燃料电池核心技术，规划在2030年形成较为完备的氢能技术创新体系，2035年形成氢能产业体系，推动氢能在能源体系中占比显著提升。未来，随着技术迭代与规模化生产，燃料电池系统成本降低，加氢站覆盖面增加，氢能产业商业化进程加速，氢燃料电池有望成为我国能源绿色转型的核心支撑。

五、绿色应用难点

目前，氢燃料电池技术的推广应用面临系统性挑战。主要围绕以下四个层面：

第一，在技术层面：产业链关键部件和材料国产化率低，一些核心材料如质子交换膜、碳纸等尚未实现完全技术自主，部分依赖进口。目前催化剂仍依赖昂贵铂金属（占电堆成本40%以上），非铂催化剂或非贵金属催化剂还处于研究阶段，产业应用还有相当距离。

第二，在氢气生产、储存和运输层面：绿氢制备成本尚高，电解水制氢成本达30-50元/kg（较煤制氢高2-3倍）；同时储运环节的成本严重制约绿氢落地应用，70MPa高压储氢罐可靠性与安全性尚需进一步验证，低温液氢能耗巨大，固态储氢能量密度低；基础设施方面，加氢站建设滞后且昂贵，实际运营的加氢站密度低，氢气管网尚未形成规模化布局。

第三，在终端应用层面：电堆寿命与低温适应性存在挑战，低温启动性能和耐久性仍需提升，低温环境下系统可靠性有待进一步验证。阻碍终端应用更重要的因素在于应用场景的经济性难题，高昂的氢气价格、稀少的加氢基础设施导致实际应用无法盈利。

第四，在政策标准层面：国内氢能测试标准与供应链体系不完善，氢能品质检测、燃料电池性能评价等标准尚未完全统一。

要实现真正绿色应用，需同步突破低成本电解槽技术、高密度低成本储运方案，并加速基础设施规模化布局，其商业化进程仍依赖政策驱动与跨产业协同。

本词条贡献者：

郑若晨 中石化石油化工科学研究院有限公司主管师，研究实习员

本词条审核专家：

刘志祥 国鸿氢能研究院院长，教授

郭 莘 中石化石油化工科学研究院有限公司高级专家， 高级工程师

参考来源：

[1] 氢能汇.什么是氢燃料电池？[EB/OL].氢能汇.(2024-08-19)[2025-08-10].https://mp.weixin.qq.com/s/JSaiiVN1s0gwzcHi07fXSg

[2] 中华人民共和国国家发展改革委，国家能源局.《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》.2022.

[3] 中华人民共和国国家能源局.《中国氢能发展报告 2025》.2025.