在2022年北京冬奥会上，中国自主研制的200多辆氢能大巴车承担了接驳重任，全程安全接驳、完全零碳排放。搭载氢燃料电池的大巴车加满氢只需10分钟，总续航可达630公里；氢能大巴每行驶100千米可减少70公斤的二氧化碳排放，相当于14棵树木一天的吸收量，着实是一名“碳中和”的践行者。
应用低碳/零碳能源，是实现水运领域“碳达峰”和“碳中和”的必需路径。基于国际海事组织减排目标的未来燃料预测如下，到2050年，氢能等零碳燃料的占比将达到35%。
图1
氢气既可以在内燃机中燃烧做功，也可以作为燃料电池的能源通过电化学反应转化成电能做功。20世纪70年代，宝马就研发了氢燃料内燃机；后来本田也推出了氢燃料内燃机。但是压缩氢气的密度较低，单次可携带的氢气数量有限，因此续航里程较短；由于氢的体积能量比较低，导致氢燃料发动机汽车（船舶）的加速性能较汽油内燃机差很多；加之，氢气加注十分不便，氢燃料内燃机逐渐淡出人们的视野。
图2
直到丰田和现代汽车推出了氢燃料电池的电动车，氢能源才又获得高度的关注。氢燃料电池通过氢气与氧气的电化学反应来生产电能，电能再带动电机驱动车轮。其工作原理省去了卡诺循环、而且也省去了内燃机中的机油润滑系统和散热系统，从而大大提高了氢能源的利用效率。
根据现有产品实践效果可见，氢燃料电池可在-30℃极寒气候下稳定启动、正常运行，具备低氢耗、高安全、全适应的技术优势，可广泛应用于各类型车辆、船舶、备用电源等领域。由此说明氢燃料电池是发展氢能产业的核心。
让我们来认识氢燃料电池的奥妙吧！
氢燃料电池的工作原理：氢燃料电池是把氢气燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，将氢气送到负极，经过催化剂的作用，H2中的两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流；失去电子的氢质子（氢的主要成分为其同位素氕，氕原子由一个质子和一个电子组成，没有中子，因此失去电子的H+本质上就是氢质子）可穿过质子交换膜，在正极氧原子、电子重新结合生成水。
氢燃料电池的结构和组成：
主要包括燃料电池堆和氢喷系统、供氧系统、冷却系统和相关管路组成；燃料电池堆由单电池、隔离板、冷却板、歧管和支撑结构组成；单电池由左右两块双极板（每一侧的双极板本身又是双层结构，中间存在重密集的冷却水流道）和位于双极板之间的膜电极（包括交换膜 、催化剂、扩散层）构成。单电池是采用收尾相连的方式串联在一起，单电池的电压约为1.23V（实际平均效率约52.8%），电流约520A~560A，通常一台120Kw的燃料电堆，约由430个单电池串联，最外端通过端板，利用螺栓等紧固件将按顺序叠放在一起的双极板、膜电极、集流板、端板紧固在一起组成一个电堆。
电堆结构示意图
氢燃料电池与传统电池的区别：
①蓄电池是一种储能装置，是将电能储存起来，需要时再释放出来。而氢燃料电池则是一种发电装置，类似于发电厂，是将化学能直接转化为电能的电化学发电装置。
②燃料电池不受卡诺循环限制，能量转化效率很高。内燃机必须先将燃料的化学能经燃烧转变为热能，再将热能转换为机械能，最后再将机械能转化为电能，在一连串的能量形式变化过程中，不仅产生了噪声和环境污染物，而且能量转化效率低。
氢燃料电池在船上的应用：
2009年起，德国、挪威等国已将氢燃料电池成功运用到船上，我国虽然起步较晚，但是也有不少成功的范例和示范项目，如近日由中国船级社（CCS）执行审图检验的氢燃料电池动力工作船“三峡氢舟1号”。该船作为我国氢燃料电池在船舶上应用的突破，对内河航行船舶的“零污染、零排放”转型具有重要示范意义。
船舶效果图
该项目的实施，为我国后续氢燃料电池船舶推广提供了重要的理论基础和数据支撑，也为我国氢燃料电池船舶测试与验证搭建了重要的试验平台，标志着我国氢燃料电池船舶关键技术领域应用水平迈上了新台阶。
