在过去二十年里，氢燃料电池电动汽车（FCEV）曾多次成为人们关注的焦点。事实上，第一辆 FCEV（雪佛兰 Electrovan）可以追溯到 1966 年，而更实用的 FCEV 则是在 2000 年代初由几乎所有主要汽车制造商以概念车的形式小批量推出的。2008 年，本田汽车率先将 FCEV 出租给实际客户，而现代汽车则从 2013 年的ix35 燃料电池车型开始，成为第一家真正量产 FCEV 的汽车制造商。在所有情况下，FCEV 的销售量都非常有限，每年仅有 10,000 辆，而且通常都是在韩国、东京或加利福尼亚等氢燃料网络最完善的特定市场。那么，为什么客户会选择 FCEV 而不是 BEV（或燃油车 ）呢？FCEV 的承诺是，它提供了 BEV 的绿色机动性，尾气中只排放水，但又具有燃油车 汽车的加气便利性，加气只需 3-5 分钟，加满一箱油后可提供较长的续航里程。这是一个两全其美的承诺，从消费者的角度来看，也许正是如此。不过，细节决定成败。
在上一篇关于这个话题的文章中，我们谈到了与燃油车 相比，BEV 的初始碳足迹实际上非常大。这对任何汽车来说都是一个关键的衡量标准，也有助于解释为什么许多公司和政府都把 BEV 看作是通往更好发展的垫脚石。燃料电池技术可能确实是 "更好的东西"，但让我们先看看从摇篮到坟墓的细节。目前的估计显示，FCEV 的生产和回收所排放的温室气体约为 BEV 的 40%。BEV 的碳足迹不仅是汽车制造商和环保组织关注的问题，也是消费者关心的问题。事实上，在 SBD 于 2021 年对 6000 多名消费者进行的调查中，有 38% 的燃油车 车主关注电池生产对环境的影响，而电动汽车车主的这一比例为 69%，这表明随着电动汽车采用率的提高，人们对碳足迹的认识可能会增强。因此，从一开始，与 BEV 相比，FCEV 似乎是一条显而易见的发展道路。这就是事情变得更加复杂的地方。
首先，让我们来看看燃料本身。氢可以通过多种方式产生。由于氢在自然形态下是一种非常轻的气体，在低层大气中并不大量存在，这意味着我们不能简单地从空气中收集氢。相反，我们必须从氢与其他元素结合的分子中提取它。这些分子键非常牢固，需要大量能量才能断开。氢的最丰富来源就是水，其中两个氢原子与一个氧原子结合成 H2O。分离这些元素的简单方法是通过电解过程，即电流通过水，导致分子键断裂，使元素以气体形式释放出来。这种生产氢气的方法非常灵活，因为可以使用任何电力来源，生产商可以选择完全可再生的电力来源，如太阳能和风能。当使用可再生能源时，氢气被称为 "绿色 "氢气。
然而，电解法并不是最有效的制氢方法，最高效率约为 80%，成本约为 10 美元/千克。目前生产的绝大多数氢气（约 96%）来自甲烷（天然气）的蒸汽重整，其效率可达 85%，成本仅为 2 美元/千克左右。用这种方法以及其他碳氢化合物原料生产的氢气被称为 "蓝色 "氢气。由于蓝氢来自碳氢化合物，因此不可再生，而且如果没有碳捕捉工艺，蓝氢还可能以一氧化碳和二氧化碳的形式向大气释放大量的碳。正是由于这种对环境的负面影响，FCEV 必须只使用经过认证的绿色氢气，才能实现其环保优势。目前，绿色氢气的价格是蓝色氢气的五倍，只有通过政府强制规定和消费者对氢气生产影响的认识，才能取得商业上的成功。
生产出氢气后，必须将其运输到加气站。未来，长距离运输可主要通过管道进行，但目前大部分运输是通过冷藏卡车进行的。当然，运输和冷藏也需要能源，而能源因地而异。运输到加氢站后，氢气需要储存在汽车的氢气罐中。由于氢气的密度非常低（0.07 克/升），因此必须将气体压缩到极高的压力才能储存在车内。例如，丰田 Mirai 的氢气罐可以储存大约 5 公斤的氢气。如果气体处于标准大气压下，油箱的容积就需要达到 71500 升，这当然是不切实际的。而 Mirai 的油箱只有 142 升，因此必须将氢气压缩到 700 巴（超过 10,000 磅/平方英寸），才能将这五公斤氢气装入油箱。这一压缩过程也会消耗能量并产生废热，其成本约为氢气所含能量的 10%。
在为 FCEV 提供动力时，氢气可被视为电能的化学载体，因为电能基本上是在电解厂 "转化 "为氢气，然后在汽车燃料电池中再转化为电能。遗憾的是，这种两端的转换大大削弱了整个过程的效率。现代燃料电池的效率约为 60%，这意味着从氢气和氧气重组中获得的能量有 40% 是以热能的形式存在，而不是以电能的形式存在。在寒冷的气候条件下，这些热能可以用来温暖车厢，与必须用电来加热车厢的 BEV 相比，大大提高了系统效率，从而减少了行驶里程。然而，在温暖的气候条件下，热量只会散发到大气中，从而使效率回到 60%。
FCEV 和 BEV 的其余过程几乎完全相同：燃料电池或电池产生的电能转换成交变波形，为汽车动力系统中的电机提供动力。FCEV 通常包含一个小型电池，使其能够像 BEV 一样在制动时回收动能，从而使驾驶效率大致相同。但是，如果我们退一步比较 BEV 和同类 FCEV 的 "从井底到车轮 "效率数据，就可以想象 FCEV 目前的前景并不乐观。即使两种能源流都由相同的可再生能源提供动力，FCEV 的效率最终也只有 40% 左右，而 BEV 的效率接近 80%，这主要是由于电力传输和交流到直流转换过程中的损耗。
那么，既然 FCEV 的效率只有 BEV 的一半左右，我们为什么还要考虑 FCEV 呢？正如我们之前所讨论的，FCEV 的生产比 BEV 更环保，这使得 FCEV 对主机厂 和政府非常有吸引力。此外，虽然效率低得多，但 FCEV 的燃料完全可以用可再生能源生产，因此在环境监管机构的眼中也很不错。然而，FCEV 的真正前景并不在于汽车，而在于长途运输卡车。正如我们在本系列第一篇文章中讨论的那样，长途运输卡车不适合使用电池驱动，因为需要大量电池，这不仅降低了最大有效载荷，还需要漫长的充电时间。由于压缩氢的能量密度极高，燃料电池驱动的卡车可以获得与燃料电池驱动的汽车相同的优势：快速加油、续航里程长、生产碳排放量低。效率问题也是一样的，但燃料电池的效率仍然高于柴油发动机，因此氢可能是当今技术下实现碳中和长途运输卡车车队的唯一选择。
许多国家的政府已开始将氢不仅仅视为一种燃料，而是作为一种整体经济来看待，它有可能成为能源储存和传输的支柱，并在以前不可行的地方实现能源独立。氢气的用途也很广泛，既可以作为清洁燃料燃烧，也可以作为生产氨等其他燃料的基础。正因为这些因素，政府对氢气研究和基础设施开发给予了大力支持，其中法国、德国、日本和韩国的支持力度越来越大。如果研究人员能够大幅提高电解器和燃料电池的效率，那么 FCEV 很可能成为最环保的个人交通工具，但我们还有很长的路要走。另一种可能性是开发无需极度压缩即可使用的高密度氢气。例如，可以用氢气和大气中的氮气生产氨气（NH3）。在大气压力下，相同体积的氢气含量约为氢气的 1600 倍。氨燃料电池工艺仍有许多问题有待解决，但如果进展顺利，它可以实现非常高的能量密度和快速补充燃料，同时支持碳中和交通，并很好地融入以氢为基础的经济。
