首次提到氢燃料电池的文献出现在1838年。在一封日期为1838年10月但发表于1838年12月版的 伦敦和爱丁堡哲学杂志和科学杂志（London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science）快报中，威尔士物理学家、律师威廉·格罗夫爵士(William Grove)写了他的第一个原始燃料电池的开发过程。他使用了铁皮、铜和瓷盘的组合，以及硫酸铜和稀酸的溶液。[6][7] 在一封写于1838年12月但发表于1839年6月的快报中，德国物理学家克里斯提安·弗里德里希·尚班（Christian Friedrich Schönbein）讨论了他发明的第一个原油燃料电池。他的信讨论了溶解在水中的氢和氧产生的电流。[8] 格罗夫后来在1842年的同一份杂志上勾勒出了他的设计。他制造的燃料电池使用的材料了与今天磷酸燃料电池类似。[9][10]
1939年，英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根（Francis Thomas Bacon）成功研制出一种5千瓦固定式燃料电池。1955年，通用电气公司(GE)的化学家托马斯·格拉布（W. Thomas Grubb）进一步修改了最初的燃料电池设计，使用磺化聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，另一位通用电气化学家伦纳德·涅德拉克（Leonard Niedrach）发明了一种将铂沉积在膜上的方法，这种方法可以作为所需的氢氧化和氧还原反应的催化剂。这就是众所周知的“格拉布-涅德拉克燃料电池”（Grubb-Niedrach fuel cell）。[11][12] 通用电气继续与美国国家航空航天局（NASA）和麦克唐纳飞行器公司（McDonnell Aircraft）合作开发这项技术，并在双子星计划使用。这是燃料电池的首次商业应用。1959年，哈里·伊格里克（Harry Ihrig）领导的一个团队为爱丽丝·查尔默斯公司（Allis-Chalmers）建造了一个15 kW的燃料电池拖拉机，并在美国各州展览会上展示。该系统使用氢氧化钾作为电解质，压缩氢气和氧气作为反应物。1959年晚些时候，培根和他的同事展示了一种实用的5千瓦机组，能够驱动一台焊接机。20世纪60年代，普惠公司授权培根的美国专利，用于美国空间计划中提供电力和饮用水(氢气和氧气可从航天器油箱中轻易获得)。1991年，罗杰·比林斯（Roger Billings）开发了第一辆氢燃料电池汽车。[13][14]
UTC Power是第一家制造大型固定式燃料电池系统并将其商业化的公司，该系统可用作医院、大学和大型办公楼的联合发电系统。[15]
为表彰燃料电池工业和美国在燃料电池发展中的作用，美国参议院通过了S. RES 217决议，将2015年10月8日定为全国氢燃料电池日。选择这个日期是因为氢的原子量为1.008。[16]
燃料电池有许多种类；然而，它们都以同样的方式工作。它们由三个相邻的部分组成：阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同部分的界面上。这两种反应的最终结果是消耗燃料，产生水或二氧化碳，并产生电流，该电流可用于为电气设备(通常称为负载)供电。
在阳极，催化剂氧化燃料（通常是氢气），使燃料变成带正电的离子和带负电的电子。电解质是一种专门设计的物质，允许离子穿过，但电子不能。被释放的电子通过一根电线产生电流。离子穿过电解质到达阴极。一旦到达阴极，离子与电子重新结合，两者与第三种化学物质反应（通常是氧气），生成水或二氧化碳。
燃料电池的设计特点包括:
典型的燃料电池在全额定负载下产生0.6 V至0.7 V的电压。电压随着电流的增加而降低，原因有几个:
为了输送所需的能量，燃料电池可以串联组合以产生更高的电压，并且并联组合以允许提供更高的电流。这种设计被称为 燃料电池堆。也可以增加电池表面积，以允许来自每个电池的更高电流。在电池堆内，反应气体必须均匀分布在每个电池上，以保证最大输出功率。[20][21][22]
在典型的氢-氧化物质子交换膜燃料电池设计中，质子传导聚合物膜(通常为nafion)包含分隔阳极和阴极侧的电解质溶液。[23][24] 在质子交换机制被充分了解之前，这种膜在20世纪70年代早期被称为“固体聚合物电解质燃料电池”（SPEFC）。(注意同义词“聚合物电解质膜”和“质子交换机制”导致相同的首字母缩略词。)
在阳极一侧，氢气扩散到阳极催化剂，随后分解成质子和电子。这些质子通常与氧化剂反应，导致它们成为通常所说的多促进质子膜。质子通过膜传导到阴极，但是电子被迫在外部电路中行进(供电)，因为膜是电绝缘的。在阴极催化剂上，氧气分子与电子(通过外部电路)和质子反应形成水。
除了这种纯氢类型，还有用于燃料电池的碳氢化合物燃料，包括柴油、甲醇和化学氢化物。含有这些燃料的废物是二氧化碳和水。当使用氢气时，当天然气中的甲烷与蒸汽结合时，二氧化碳被释放出来，这个过程被称为蒸汽甲烷重整，产生氢气。这可以在与燃料电池不同的位置进行，有可能允许氢燃料电池在室内使用——例如在叉车中。
一个PEMFC的不同组成部分是
燃料电池不同部分使用的材料因类型而异。双极板可以由不同类型的材料制成，例如金属、涂覆金属、石墨、柔性石墨、碳-碳复合材料、碳-聚合物复合材料等。[26] 膜电极组件被称为PEMFC的心脏，通常由夹在两张涂有催化剂的碳纸之间的质子交换膜制成。铂和/或类似类型的贵金属通常用作PEMFC的催化剂。电解质可以是聚合物膜。
质子交换膜燃料电池的设计问题
1961年，埃尔默（G. V. Elmore ）和坦纳（H. A. Tanner）首次设计并引入了磷酸燃料电池(PAFC)。在这些电池中，磷酸被用作非导电的电解质，将质子从阳极传递到阴极。这些电池通常在150到200摄氏度的温度下工作。如果热量没有被移除和正确使用，这种高温将导致热量和能量损失。该热量可用于为空调系统或任何其他热能消耗系统产生蒸汽。[34] 在热电联产中使用这种热量可以将磷酸燃料电池的效率从40-50%提高到大约80%。[34] 磷酸是磷酸燃料电池中使用的电解质，是一种不导电的液体酸，它迫使电子通过外部电路从阳极移动到阴极。由于阳极上的氢离子产生速率很小，铂被用作催化剂来提高电离速率。这些电池的一个主要缺点是使用酸性电解质。这增加了暴露于磷酸的部件的腐蚀或氧化。[35]
固体酸燃料电池的特点是使用固体酸材料作为电解质。在低温下，固体酸像大多数盐一样具有有序的分子结构。在较高的温度下(一氧化碳在140到150摄氏度之间)，一些固体酸经历相变成为高度无序的“超晶格”结构，这将电导率增加几个数量级。第一个概念验证的固体酸燃料电池是在2000年使用硫酸铯(CsHSO4)开发的。[36] 目前的SAFC系统使用磷酸二氢铯（CsH2PO4 ）并展示了数千小时的寿命。[37]
碱性燃料电池或氢氧燃料电池由弗朗西斯·托马斯·培根（Francis Thomas Bacon）于1959年设计并首次公开展示。它被用作阿波罗太空计划的主要电能来源。[38] 该电池由两个浸渍有合适催化剂（如铂、银、钴等）的多孔碳电极组成。两个电极之间的空间充满了氢氧化钾或氢氧化钠的浓溶液作为电解质。氢气和氧气通过多孔碳电极进入电解质。因此，整个反应为氢气和氧气的结合形成水。电池持续运行，直到反应物耗尽。这种类型的电池在343 K至413 K的温度范围内可以有效地工作，并且提供大约0.9 V的电势。[39] AAEMFC是一种使用固体聚合物电解质代替氢氧化钾水溶液的AFC，它比水性AFC更优越。
SOFC
固体氧化物燃料电池(SOFCs)使用固体材料作为电解质，其中最常见的固体材料是被称为氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的陶瓷材料。因为固体氧化物燃料电池完全由固体材料制成，所以它们不局限于其他类型燃料电池的平面结构，并且通常被设计成轧制管。它们需要高工作温度(800–1000 °C)，并且可以用包括天然气在内的各种燃料运行。
固体氧化物燃料电池是与众不同的，因为在这些电池中，带负电的氧离子从阴极(燃料电池的正侧)移动到阳极(燃料电池的负侧)，而不是带正电的氢离子从阳极移动到阴极，所有其他类型的燃料电池都是如此。氧气通过阴极输送，在阴极吸收电子产生氧离子。氧离子然后穿过电解质，在阳极与氢气反应。阳极的反应产生副产品电和水。根据燃料，二氧化碳也可能是副产品，但来自SOFC系统的碳排放量比来自化石燃料燃烧工厂的碳排放量少。[40] SOFC系统的化学反应可以表示如下:[41]
SOFC系统可以使用纯氢气以外的燃料。然而，由于氢对于上面列出的反应是必需的，所以所选择的燃料必须含有氢原子。要使燃料电池运行，燃料必须转化为纯氢气。固体氧化物燃料电池能够内部重整轻质烃，[42] 丙烷和丁烷。[43] 这些燃料电池处于开发的早期阶段。[44]
SOFC系统由于运行温度高而存在挑战。其中一个挑战是碳粉积聚在阳极的可能性，这会减慢内部重整过程。宾夕法尼亚大学针对这一“碳焦化”问题的研究表明，使用铜基金属陶瓷(由陶瓷和金属制成的耐热材料)可以减少焦化和性能损失。[45] SOFC系统的另一个缺点是启动时间慢，使得固体氧化物燃料电池对移动应用不太有用。尽管有这些缺点，高工作温度通过消除对像铂这样的贵金属催化剂的需要而提供了优势，从而降低了成本。此外，来自SOFC系统的废热可以被收集和再利用，将理论总效率提高到高达80%-85%。
高工作温度很大程度上是由于YSZ电解质的物理性质。随着温度的降低，YSZ的离子电导率也随之降低。因此，为了获得燃料电池的最佳性能，需要高工作温度。据英国SOFC燃料电池制造商谷神星电力公司（Ceres Power）的网站披露，他们开发了一种方法，可以将他们的SOFC系统的工作温度降低到500-600摄氏度。他们用一种CGO(氧化铈钆)电解质代替了常用的YSZ电解质。较低的操作温度允许他们使用不锈钢代替陶瓷作为电池基板，这降低了系统的成本和启动时间。[46]
MCFC
类似于固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池需要高工作温度（650 °C (1,200 °F)） 。MCFCs使用碳酸锂钾盐作为电解质，这种盐在高温下液化，允许电荷在电池内移动——在这种情况下，为碳酸根离子。[47]
像固体氧化物燃料电池一样，MCFCs能够在阳极将化石燃料转化为富氢气体，无需从外部生产氢气。重整过程产生了 CO2 排放。与MCFC兼容的燃料包括天然气、沼气和煤制天然气。气体中的氢与电解质中的碳酸根离子反应，生成水、二氧化碳、电子和少量其他化学物质。电子通过外部电路产生电能，然后返回阴极。在那里，空气中的氧气和阳极回收的二氧化碳与电子反应形成碳酸根离子，补充电解质，完成电路。[47] 一个MCFC系统的化学反应可以表达如下:[48]
与固体氧化物燃料电池一样，MCFC的缺点包括启动时间慢，因为它们的工作温度很高。这使得MCFC系统不适合移动应用，这种技术很可能用于固定燃料电池。MCFC技术的主要挑战是细胞的短寿命。高温和碳酸盐电解质导致阳极和阴极腐蚀。这些因素加速了MCFC部件的降解，降低了耐久性和电池寿命。研究人员正在通过探索部件的耐腐蚀材料以及燃料电池设计来解决这个问题，这些材料可以在不降低性能的情况下延长电池寿命。
MCFCs比其他燃料电池技术有几个优点，包括抗杂质。它们不容易“积碳”，积碳是指阳极上的积碳，通过减缓内部燃料重整过程而导致性能下降。因此，像煤制气体这样的富碳燃料与该系统兼容。能源部声称，假设该系统能够抵抗将煤炭转化为氢气所产生的硫和微粒等杂质，那么煤炭本身甚至可能是未来的燃料选择。 MCFCs也有相对较高的效率。它们可以达到50%的燃料-电力效率，远远高于一个磷酸电解液燃料电池电站的37-42%的效率。当燃料电池与涡轮机配对时，效率可高达65%，如果热量被收集并用于热电联产系统，效率可高达85%。[47]
总部位于康涅狄格州的燃料电池制造商FuelCell Energy开发并销售熔融碳酸盐燃料电池。该公司表示，他们的MCFC产品范围从300千瓦到2.8兆瓦的系统，实现47%的电力效率，并可以利用热电联产技术获得更高的整体效率。其中一款产品是DFC-ERG，它与一台燃气轮机相结合，据该公司称，它的电气效率达到了65%。[49]
蓄电燃料电池是利用常规电化学效应通过电力输入充电的常规电池。然而，电池还包括氢气(和氧气)输入，用于交替地对电池进行化学充电。[50]
| 燃料电池名称 | 电解质 | 输出功率 (W) | 工作温度 (°C) | 电池效率 | 系统效率 | 发展阶段 | 成本(USD/W) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 金属氢化物燃料电池 | 碱液 | > -20 (50% Ppeak @ 0 °C) |
商业化/研究 | ||||
| 电燃料电池 | 碱液 | <40 | 商业化/研究 | ||||
| 直接甲酸燃料电池 (DFAFC) | 聚合物膜（离子） | < 50 W | <40 | 商业化/研究 | |||
| 锌空气电池 | 碱液 | <40 | 大规模生产 | ||||
| 微生物燃料电池 | 聚合物膜或腐殖酸 | <40 | 研究 | ||||
| 上流式微生物燃料电池(UMFC) | <40 | 研究 | |||||
| 可再生燃料电池 | 聚合物膜 (离子交联聚合物) | <50 | 商业化/研究 | ||||
| 直接硼氢化物燃料电池 | 碱液 | 70 | 商业化 | ||||
| 碱性燃料电池 | 碱液 | 10 – 200 kW | <80 | 60-70% | 62% | 商业化/研究 | |
| 直接甲醇燃料点 | 聚合物膜（离子交联聚合物） | 100 mW – 1 kW | 90–120 | 20–30% | 10–25%[51] | 商业化/研究 | 125 |
| 重整甲醇燃料电池 | 聚合物膜（离子交联聚合物） | 5 W – 100 kW | 250–300 (重整气) 125–200 (PBI) |
50–60% | 25–40% | 商业化/研究 | |
| 直接乙醇燃料电池 | 聚合物膜（离子交联聚合物） | < 140 mW/cm² | > 25 ? 90–120 |
研究 | |||
| 质子交换膜燃料电池 | 聚合物膜（离子交联聚合物） | 1 W - 500 kW | 50–100 (Nafion)[52] 120–200 (PBI)[53] |
50–70% | 30–50%[51] | 商业化/研究 | 50–100 |
| 液流电池 | 带氧化还原梭的液体电解质和聚合物膜(离子) | 1 kW - 10 MW | 研究 | ||||
| 磷酸燃料电池 | 熔融态磷酸 (H3PO4) | < 10 MW | 150-200 | 55% | 40%[51] 联合发电: 90% |
商业化/研究 | 4–4.50 |
| 固体酸燃料电池 | H+导电氧阴离子盐(固体酸) | 10 W - 1 kW | 200-300 | 55-60% | 40-45% | 商业化/研究 | |
| 熔融碳酸盐燃料电池 | 熔融碱碳酸盐 | 100 MW | 600–650 | 55% | 45-55%[51] | 商业化/研究 | |
| 管式固体氧化物燃料电池 (TSOFC) | O2−-导电的陶瓷氧化物 | < 100 MW | 850–1100 | 60-65% | 55-60% | 商业化/研究 | |
| 质子陶瓷燃料电池 | H+-导电的陶瓷氧化物 | 700 | 研究 | ||||
| 直接碳燃料电池 | 不同类型 | 700–850 | 80% | 70% | 商业化/研究 | ||
| 平板固体氧化物燃料电池 | O2−-导电的陶瓷氧化物 | < 100 MW | 500–1100 | 60-65% | 55-60% | 商业化/研究 | |
| 酶生物燃料电池 | 任何不会使酶变性的物质 | <40 | 研究 | ||||
| 镁空气燃料电池 | 盐水 | -20 - 50 | 90% | 商业化/研究 |
表中的术语表:
转换能量的系统或设备的能量效率由系统输出的有用能量(“输出能量”)与输入的总能量(“输入能量”)之比来衡量，或者由有用输出能量占总输入能量的百分比来衡量。在燃料电池中，有用的输出能量以系统产生的电能来衡量。输入能量是储存在燃料中的能量。根据美国能源部的数据，燃料电池的能效通常在40%-60%之间。[58] 这高于其他一些发电系统。例如，汽车的典型内燃机大约有25%的能效。[59] 在热电联产系统中，燃料电池产生的热量被收集并投入使用，从而将系统效率提高到85%-90%。[60]
任何类型发电系统的理论最大效率在实践中从未达到，也没有考虑发电的其他步骤，例如燃料的生产、运输和储存以及将电能转化为机械能。然而，这种计算允许比较不同类型的发电。在低功率密度下工作，使用纯氢和氧作为反应物(假设没有热量回收)，燃料电池的最大理论能量效率为83%。[60] 根据世界能源理事会的数据，相比之下，内燃机的最高理论效率为58%。[60]
在燃料电池汽车中，在低负载下，油箱到车轮的效率大于45% ，并且当使用像“新欧洲驾驶循环”这样的驾驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）作为测试程序时，显示出平均效率大约为36%。[61] 柴油车辆的NEDC值为22%。2008年，本田发布了一款示范燃料电池电动汽车(Honda FCX Clarity)，其燃料电池堆的油箱到车轮的效率为60%。[62]
考虑燃料生产、运输和储存造成的损失也很重要。使用压缩氢气运行的燃料电池汽车，如果氢气以高压气体形式储存，其动力装置到车轮的效率可能为22%；如果氢气以液态氢形式储存，其效率可能为17%。[63] 除了氢气之外，燃料电池不能像电池一样储存能量。[64] 但是在一些应用中，例如基于不连续源(例如太阳能或风能)的独立发电厂，燃料电池与电解槽和存储系统结合以形成能量存储系统。大多数氢气被用于炼油、化工和化肥生产，因此可以由释放二氧化碳的蒸汽甲烷重整产生。[65] 这些电站的总效率(电转化为氢气，再转化为电，也就是往返效率)，根据气体密度和其他条件，使用纯氢和纯氧可以是“从35%到50%。[66] 电解槽/燃料电池系统可以储存无限量的氢气，因此适合长期储存。
固体氧化物燃料电池通过氧气和氢气的复合产生热量。这种陶瓷可以烧到800摄氏度。在微型热电联产应用(m-CHP)中，这种热量可以被捕获并用于加热水。当热量被捕获时，机组的总效率可以达到80-90%（不考虑生产和分配损失）。热电联产装置今天正在为欧洲国内市场开发。
2008年，杰里米·迈耶斯教授（Jeremy P. Meyers）在《Electrochemical Society journal Interface》上写道，“虽然燃料电池相对于内燃机来说是有效的，但它们不如电池有效，主要是由于氧气还原反应效率低(以及氧气析出反应的低效，如果氢气是由电解水生成的)....对于与电网断开连接的操作，或者当燃料可以连续供应时，它们最有意义。如果更换电池不方便的话，对于需要频繁和相对快速启动的应用...在要求零排放的地方，如仓库等封闭空间，以及氢气被认为是可接受的反应物的场所，[质子交换膜燃料电池正成为越来越有吸引力的选择。 2013年，军事组织正在评估燃料电池，以显著降低士兵携带的电池重量。
固定式燃料电池可用于商业、工业和住宅主发电和备用发电。燃料电池作为偏远地区的电源非常有用，如宇宙飞船、偏远气象站、大型公园、通信中心、包括研究站在内的农村地区以及某些军事应用中。依靠氢气运行的燃料电池系统可以是紧凑和轻量级的，并且没有主要的运动部件。因为燃料电池没有运动部件，也不涉及燃烧，所以在理想条件下，它们可以实现高达99.9999%的可靠性。[67] 这相当于六年内停机时间不到一分钟。[67]
由于燃料电池电解槽系统本身不储存燃料，而是依靠外部储存单元，因此它们可以成功地应用于大规模的能量储存，农村地区就是一个例子。[68] 有许多不同类型的固定燃料电池，因此效率各不相同，但大多数电池的能效在40%至60%之间。[69] 然而，当燃料电池的废热用于热电联产系统中的建筑物加热时，该效率可以提高到85%。[69] 这比传统的煤电厂效率要高得多，传统的煤电厂只有三分之一的能源效率。[69] 假设大规模生产，当用于热电联产系统时，燃料电池可以节省20-40%的能源成本。[70] 燃料电池也比传统发电清洁得多；使用天然气作为氢源的燃料电池发电厂每1000个 千瓦小时产生的污染物不到一盎司(除了 CO2)，相比之下，传统燃烧系统产生的污染物为25磅。[71] 燃料电池的氮氧化物排放量也比传统燃煤电厂少97%。
华盛顿州斯图尔特岛正在实施这样的试点项目。斯图尔特岛能源倡议[72] 已经建立了一个完整的闭环系统：太阳能电池板为制造氢气的电解槽提供动力。氢气储存在一个500 美国加仑（1900 L）的200磅每平方英寸罐子（1400 kPa），并用ReliOn燃料电池为离网住宅提供全电力支持。2011年末，另一个闭环系统在纽约州亨普斯特德公布。[73]
燃料电池可以与垃圾填埋场或污水处理厂的劣质气体一起使用，用以发电和降低甲烷排放。据说，加利福尼亚州的一座2.8兆瓦的燃料电池厂是同类工厂中最大的。[74]
热电联产（CHP）燃料电池系统，包括微型热电联产(Micro CHP)系统，用于为家庭、办公楼和工厂发电和供热。该系统产生恒定的电力(当多余的电力没有消耗时，将多余的电力出售回电网)，同时利用废热产生热空气和水。因此，热电联产系统具有节约一次能源的潜力，因为它们可以利用被热能转换系统拒绝的废热。[75] 家用燃料电池的典型容量范围是11–3 kWel / 4–8 kWth。[76][77] 与吸收式制冷机相连的热电联产系统可利用其余热进行制冷。[78]
来自燃料电池的废热可以在夏天直接转移到地面，提供进一步的冷却，而冬天的废热可以直接泵入建筑物。明尼苏达大学拥有这种系统的专利权[79][80]
联合发电系统可以达到85%的效率(40-60%的电力+其余部分为热能)。[69] 磷酸燃料电池(PAFC)是全球现有热电联产产品中最大的部分，其综合效率接近90%。[81][82] 熔融碳酸盐(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)也可用于热电联产，电能效率约为60%。[83] 联合发电系统的缺点包括上升和下降速度慢、成本高和寿命短。[84][85] 此外，他们需要一个热水储水箱来稳定热能生产，这在国内市场是一个严重缺点，因为国内房地产的空间非常宝贵。[86]
达美咨询公司（Delta-ee consultants）在2013年表示，燃料电池微型热电联产在全球销售中占64%，在2012年的销售中超过了传统系统。[87] 日本ENE FARM项目将在2014年通过100，000个燃料电池mCHP系统，2012-2014年期间安装了34,213个PEMFC和2,224个SOFC，30,000个液化天然气单元和6，000个液化石油气单元。[87]
汽车
截至2017年，全球已租赁或出售了约6500辆电动汽车。[88] 三种燃料电池电动汽车已被引入商业租赁和销售：本田Clarity、丰田Mirai和现代ix35 FCEV。其他示范车型包括本田FCX Clarity和奔驰F-Cell。[89] 截至2011年6月，燃料电池电动车示范项目已经超过 4,800,000 km (3,000,000 mi)，有超过27，000个燃料补充站。[90] 燃料电池电动汽车在两次加油之间的平均行驶里程为314英里。。[91] 它们可以在不到5分钟内补充燃料。[92] 美国能源部燃料电池技术计划指出，截至2011年，燃料电池在四分之一功率时效率达到53-59%，在全功率时效率达到42-53%，[93] 耐久性为在行驶120,000 km (75,000 mi)时，性能损失不到10%。[94] 在一项“没有解决经济和市场约束”的“车轮对车轮”模拟分析中，通用汽车及其合作伙伴估计，每行驶一英里，使用天然气生产的压缩气态氢的燃料电池电动汽车比内燃机汽车消耗的能量少40%，排放的温室气体少45%。[95][96] 能源部的一名首席工程师(其团队正在测试燃料电池汽车)在2011年表示，潜在的吸引力在于“这些是全功能汽车，没有里程和加油率限制，因此它们可以直接替代任何汽车。例如，如果你开着一辆全尺寸的越野车，把一艘船开到山里，你可以用这项技术做到这一点，而现在的纯电池汽车不行，因为它更适合城市驾驶。”[97]
2015年，丰田以57，000美元的价格推出了第一辆燃料电池汽车——Mirai。[98] 韩国现代（Hyundai）根据租赁协议引进了限量生产的现代ix35 FCEV。[99] 2016年，本田开始租赁本田Clarity燃料电池。[100]
批评
一些评论家认为氢燃料电池汽车永远不会在经济上与其他技术竞争[101][102][103] 或者他们需要几十年才能盈利。[104][104] 电池电动汽车制造商特斯拉汽车(Tesla Motors)的首席执行官埃隆马斯克(Elon Musk)在2015年表示，由于氢气生产、运输和储存效率低下、气体易燃等原因，用于汽车的燃料电池永远无法实现商业化。[105] 杰里米·迈耶斯(Jeremy P. Meyers)教授在2008年估计，在燃料电池汽车推出后，生产加速期的成本削减将需要大约20年时间，才能够与包括汽油内燃机在内的当前市场技术进行商业竞争。[104] 2011年，通用汽车董事长兼首席执行官丹尼尔·埃克森表示，尽管氢燃料电池汽车的成本正在下降:“这种汽车仍然太贵，可能要到2020年以上的时间才会实用，不知道。”[106]
2012年，勒克斯研究公司发布了一份报告，称:“氢经济的梦想...一点也不近”。它的结论是“资本成本...到2030年将限制采用量仅为5.9 GW，这为采用提供了“一个几乎不可逾越的障碍，除非是在特殊应用中”。分析得出结论，到2030年，质子交换膜固定市场将达到10亿美元，而汽车市场，包括叉车，将达到20亿美元。[104] 其他分析指出，美国缺乏广泛的氢气基础设施是对燃料电池电动车商业化的持续挑战。2006年，IEEE的一项研究表明，对于通过电解水生产的氢气，“只有大约25%的风能、水能或太阳能转化为实际用途。”研究进一步指出，“从氢燃料电池获得的电力似乎是从输电网获得的电力的四倍。...由于高能量损失，氢气无法与电力竞争。”[107] 此外，研究发现:“天然气重整不是一个可持续的解决方案”。[107] 从天然化合物(水、天然气、生物质)中分离氢气、通过压缩或液化包装轻气体、将能量载体转移给用户所需的大量能量，加上用燃料电池转化为有用电能时损失的能量，剩下约25%用于实际应用[108][104][108]
2014年，约瑟夫·罗姆《氢气的炒作》 (2005年)，指出燃料电池汽车仍然没有克服高燃料成本，缺乏燃料输送基础设施，以及生产氢气造成的污染。'要在未来几十年内同时克服所有这些问题，需要几个奇迹。'[109] 他得出结论，可再生能源“无论是现在还是将来”都不能在经济上用于为FCV制造氢气。[101] 绿色科技媒体的分析师在2014年得出了类似的结论。[110] 2015年，《清洁技术》列出了氢燃料电池汽车的一些缺点。[111] Car Throttle也持相同观点。[112]
公共汽车
截至2011年8月，全世界总共部署了大约100辆燃料电池公共汽车。大多数公共汽车由联合技术动力公司、丰田公司、巴拉德公司、氢能公司和质子汽车公司生产。联合技术巴士已经超过 970,000 km (600,000 mi) 到2011年开车。[113] 燃料电池巴士的燃油经济性比柴油巴士和天然气巴士高39-141%。[95][114] 燃料电池巴士已经部署在世界各地，包括加拿大惠斯勒；美国旧金山；德国汉堡；中国上海；英国伦敦；和巴西圣保罗。[115]
燃料电池巴士俱乐部是一个试验性燃料电池巴士的全球合作项目。值得注意的项目包括:
巴西的第一辆巴西氢燃料电池巴士原型部署在圣保罗。这辆公共汽车是在南卡希亚斯制造的，氢燃料将在圣贝尔纳多-杜坎普通过电解从水中生产出来。这个项目叫做”巴西国家银行“(巴西氢汽车)，包括三辆额外的公共汽车。[119][120]
叉车
燃料电池叉车(也称为燃料电池叉车)是一种由燃料电池驱动的工业叉车，用于提升和运输材料。2013年，美国有超过4000辆燃料电池叉车用于物料搬运，[121] 其中只有500人获得了能源部的资助(2012年)。[122][123] 全球市场每年有100万部叉车。[124] 燃料电池车队由多家公司运营，包括Sysco Foods、联邦快递货运、金柯(在Wegmans、可口可乐、金百利克拉克公司和全食)和H-E-B杂货店。[125] 欧洲展示了30辆带有Hylift的燃料电池叉车，并将其与HyLIFT-EUROPE一起扩展到200辆，[126] 法国的其他项目 [127][128] 和奥地利。[129] 派克研究公司在2011年表示，到2020年，燃料电池驱动的叉车将成为氢燃料需求的最大驱动力。[130]
欧洲和美国的大多数公司不使用石油动力叉车，因为这些车辆在必须控制排放的室内工作，而是使用电动叉车。[124][131] 燃料电池驱动的叉车比电池驱动的叉车更有优势，因为它们可以在一个氢气罐上工作整整8小时，并且可以在3分钟内补充燃料。燃料电池驱动的叉车可用于冷藏仓库，因为它们的性能不会因温度降低而降低。光纤通道单元通常被设计为嵌入式替代设备。[132][133]
摩托车和自行车
2005年，英国氢燃料电池制造商Intelligent Energy生产了第一辆氢动力摩托车，名为ENV(零排放车辆)。装有足够的燃料的摩托车，可以跑四个小时，还可以在城市中以80 km/h (50 mph)的速度行驶160 km (100 mi)。[134] 2004年，本田开发了一种利用本田FC电堆的燃料电池摩托车。[135][136]
使用燃料电池的摩托车[137] 和自行车[138] 的其他例子包括台湾公司APFCT的小型摩托车[139] （其使用意大利Acta SpA的加油系统[140]） 和2011年获得欧盟整车型式认证的带有工业工程燃料电池的Suzuki Burgman小型摩托车。[141] 铃木汽车公司和工业工程公司宣布成立一家合资企业，以加速零排放汽车的商业化。[142]
飞机
2003年，世界上第一架完全由燃料电池提供动力的螺旋桨驱动飞机起飞了。燃料电池是一种电池组设计，允许燃料电池与飞机的空气动力学表面集成在一起。[143] 燃料电池驱动的无人驾驶飞行器包括地平线燃料电池无人机（ Horizon fuel cell UAV ），该无人机在2007年创下了小型无人机飞行距离的纪录。[144] 2008年2月，波音公司的研究人员和全欧洲的工业伙伴对一架仅由燃料电池和轻型电池供电的载人飞机进行了试验飞行测试。燃料电池演示飞机，使用质子交换膜燃料电池/锂离子电池混合系统来驱动电动机，而电动机连接到传统的螺旋桨上。[145]
2009年，海军研究实验室的(NRL) Ion Tiger使用了氢燃料电池，飞行了23小时17分钟。[146] 研究人员也正在测试和考虑用燃料电池为飞机提供辅助动力，以取代之前用来启动发动机和满足飞机电力需求的化石燃料发电机，同时减少碳排放。[147][148]
2016年，一架猛禽E1无人机成功试飞，使用的燃料电池比所代替的锂离子电池更轻。虽然燃料电池据说有足够的燃料飞行两个小时，实际上它持续飞行了10分钟，高度为80米（360英尺）。燃料包含在大约100个1平方厘米(0.16平方英寸)的固体颗粒中，这些颗粒由一种专利化学物质组成，装在一个不加压的药筒内。该颗粒在物理上非常坚固的，可在50°C(122°F)的高温下工作。电池来自Arcola Energy。[149]
船
世界上第一艘燃料电池船HYDRA使用了6.5 kW的AFC系统。冰岛已承诺到2015年将其庞大的捕鱼船队转变为使用燃料电池提供辅助动力，并最终为其船只提供主要动力。阿姆斯特丹最近推出了第一艘燃料电池驱动的船只，可以在城市运河中运送人们。[150]
潜艇
德国和意大利海军的212型潜艇使用燃料电池保持浸没数周，无需浮出水面。
U212A是一艘由德国海军造船厂豪奥尔德茨韦克·德意志韦特（Howaldtswerke Deutsche Werft）开发的无核潜艇。[151] 该系统由9个质子交换膜燃料电池组成，每个电池的功率介于30 kW到50 kW。这艘船是无声的，这使得它在探测其他潜艇方面具有优势。[152] 一篇海军论文从理论上解释了核燃料电池混合的可能性，即当需要安静运行时使用燃料电池，然后从核反应堆(和水)中补充燃料。[153]
便携式燃料电池系统通常被分类为重量低于10 kg并提供小于5 kW的功率。[154] 小型燃料电池的潜在市场规模相当大，年潜在增长率高达40%，市场规模约为100亿美元，这促使大量研究致力于便携式电池的开发。[155] 在这个市场中，已经确定了两个群体。第一个是微燃料电池市场，功率范围为1-50 W，用于小型电子设备。第二个是1-5 kW的用于大规模发电的发电机系列(如军事前哨、偏远油田)。
微燃料电池主要旨在打入手机和笔记本电脑市场。这主要归因于燃料电池相对于锂离子电池为整个系统提供了更高的能量密度。对于电池，该系统包括充电器和电池本身。对于燃料电池，该系统将包括电池、必要的燃料和外围附件。考虑到整个系统，燃料电池的输出功率为530 Wh/kg而锂离子电池的输出功率为44 Wh/kg [155] 尽管燃料电池系统的重量提供了明显的优势，但目前的成本对它们不利。虽然电池系统一般每瓦时成本约为1.20美元，但燃料电池系统每瓦时成本约为5美元，这使它们处于显著的劣势。[155]
随着对手机电力需求的增加，燃料电池可能成为更大电量的更具吸引力的选择。消费者经常要求延长手机和电脑的使用时间，这样燃料电池就可以开始进军笔记本电脑和手机市场。随着燃料电池的发展继续加速，价格将继续下降。目前改善微型燃料电池的策略是通过使用碳纳米管。Girishkumar等人表明，在电极表面沉积纳米管可以获得更大的表面积，从而提高氧还原速率。[156]
用于大规模操作的燃料电池也显示出很大的前景。使用燃料电池的便携式电力系统可用于休闲部门(即房车、船舱、船舶)、工业部门(即用于偏远地点的电力，包括天然气/油井、通信塔、安保、气象站)以及军事部门。SFC Energy是一家德国制造商，生产用于各种便携式电力系统的直接甲醇燃料电池。[157] 安索系统公司（Ensol Systems Inc. ）是一家使用SFC Energy的直接甲醇燃料电池的便携式电力系统集成商。[158] 燃料电池在这个市场上的主要优势是单位重量的巨大发电量。虽然燃料电池可能很贵，但对于需要可靠能源的偏远地区，燃料电池拥有巨大的功率。对于72小时的行程，重量的比较是相当可观的，燃料电池只有15磅重，而同样能量需要29磅的电池。[154]
2013年， 《纽约时报》 报道称“全美共有10个氢站可供公众使用:一个在哥伦比亚，八个在南加州，一个在埃默里维尔”。[166] 截至December 2016年美国有31个公众可以进入的氢燃料站，其中28个位于加利福尼亚州。[167]
冰岛的一个公共加氢站从2003年到2007年一直在运行。它为雷克雅未克公共交通网的三辆公共汽车服务。该站用电解装置生产自己的氢气。[168] 德国的14个台站计划到2015年扩大到50个[169] 通过其公私伙伴关系Now GMBH。[170]
截至2017年5月，日本共有91个氢燃料站。[171] 截至2016年，挪威计划从2017年开始在主要城市之间建立一个氢站网络。[172]
2012年，全球燃料电池行业收入超过10亿美元的市场价值，亚太国家的燃料电池系统在全球的出货量超过四分之三。[173] 然而，截至2014年1月，该行业还没有一家上市公司盈利。[174] 2010年全球燃料电池堆的出货量为140,000个，高于2007年的11,000个，从2011年到2012年，全球燃料电池出货量的年增长率为85%。[175] 田中基钦佐库（Tanaka Kikinzoku）在2011年扩大了生产设施。[176] 2010年，约50%的燃料电池出货量为固定式燃料电池，高于2009年的三分之一，燃料电池行业的四大主要生产商是美国、德国、日本和韩国。[177] 能源部固态能源转换联盟(Department of Energy Solid State Energy Conversion Alliance)发现，截至2011年1月，固定式燃料电池的发电成本约为每千瓦724至775美元。[178] 2011年，主要燃料电池供应商Bloom Energy表示，其燃料电池的发电成本为每千瓦时9-11美分，包括燃料、维护和硬件的价格。[179][180]
行业团体预测未来需求有足够的铂资源，[181] 2007年，在布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）进行的研究表明铂可以被金钯涂层取代，这种涂层不太容易中毒，从而延长了燃料电池的寿命。[182] 另一种方法是用铁和硫代替铂。这将降低燃料电池的成本(因为常规燃料电池中的铂成本大约为 1,500美元，同样数量的铁只需要大约 1.50美元)中。这一概念是由约翰·因尼斯中心（ John Innes Centre）和米兰大学-比科卡联合开发的。[183] PEDOT阴极对一氧化碳中毒免疫。[184]
2016年，三星“决定放弃与燃料电池相关的商业项目，因为市场前景不妙”。[185]
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