氢能源载具是使用氢气作为其车载燃料用于动力的载具。 氢气载具包括氢燃料太空火箭，以及汽车和其他运输车辆。 这种车辆的发电厂通过在内燃机中燃烧氢气，或者通过使氢气与燃料电池中的氧气反应来运行电动机，将氢的化学能转换成机械能。 广泛使用氢来为运输提供燃料是提出的氢经济的关键要素。
截至2016年，在特定市场上有3款氢气车可供选择：丰田Mirai，现代ix35 FCEV和本田Clarity。 其他几家公司正在努力开发氢能汽车。 截至2014年，95％的氢气由天然气制成。 它可以使用可再生资源生产，但这是一个昂贵的过程。 使用水电解的集成风 – 氢（电力 – 气体）工厂正在探索技术，以便提供足够低的成本，并且数量足够大，以与使用天然气的氢生产竞争。 氢气使用的缺点是当天然气生产时的高碳排放强度，资本成本负担，每单位体积的低能量含量，氢气的生产和压缩，以及燃料车辆所需的大量基础设施投资。
能量载体氢
燃料和废气
用作燃料的氢不是一次能源，而必须由与发电类似的一次能源产生。 他的生产需要能量。 这是在氢燃烧发动机中或在燃料电池中的化学反应中再次释放。 由于其低密度，氢气每单位质量的单位重量比任何其他化学燃料含有更多的能量。 然而，能量密度的体积非常小。 因此，作为燃料的氢气必须高度压缩（高达约700巴）或液化（-253℃）。 两者都与额外的能量输入相关联。
燃料电池的废气由纯水蒸气组成。
在氢气与空气（在燃气轮机中）的燃烧过程中，废气还含有氮氧化物，其在燃烧室中的高温下由大气氮产生。 在高过量空气（λ»1）下，产生的氮氧化物较少，但效率也会降低。 在活塞发动机中，继续在废气中得到CO和CH的痕迹。 它们来自气缸壁和活塞之间的润滑油以及曲轴箱通气孔。
氢气生产
制氢的主要过程是
碳源能量（通常为化石燃料）在300-1000°C的温度下进行热化学转化。 这种类型最古老的工艺是蒸汽重整，市场份额超过90％。 使用这个过程，城市煤气（合成气）过去是用煤和水蒸气生产的，其含有大约1％。 60％氢。 通过进一步的工艺步骤，能源的几乎全部能量含量可以与氢结合。 这里的缺点是产生气候破坏性气体二氧化碳，还有从生物质制造碳氢中性的技术。 第一个商业工厂，Blue Tower Herten，由于Solar Millennium AG的破产尚未完成。
氢是许多化学过程（例如，氯碱电解）的副产物。 数量相当可观，但大部分都是重复使用的。 仅在科隆地区作为副产品生产的氢就足以永久运营40,000辆汽车（截至2010年）。
仍然相对较少，通过水的电解产生氢。 实现了70-80％的效率。 目前有一些项目，其中电解槽由风力涡轮机直接供应。 风力涡轮机现在在大风天断电，电力需求低; 相反，它们可以用于电解以产生氢气。 除了必要的能量之外，问题还在于提供所需的水：为法兰克福机场的所有飞机加油提供氢气电解氢需要25个大型发电厂的电力。 与此同时，法兰克福的用水量将增加一倍。“
目前仍在研究阶段，试图通过光合作用的变体在藻类的氢生物反应器中产生氢。
氢储存
目前认为解决氢存储的技术问题。 诸如加压和液态氢存储和金属氢化物存储的方法在商业上使用。 此外，还有其他方法，如纳米管中的储存或化学化合物（N-乙基咔唑），它们仍处于开发阶段或基础研究中。
氢站
广泛使用氢驱动器的先决条件是供应基础设施的生产。 要在德国建立全国性的网络，需要大约1000个加氢站。
全球约有274个加氢站（截至2017年5月）。 在德国大约有30个，其中只有7个是公共经营的。 与林德股份公司合作，戴姆勒集团将建造另外20个加氢站，以便最初确保在南北和东西轴上的连续连接。 →另见：氢气公路
加氢站的成本约为150万至150万欧元。
车辆
汽车，公共汽车，叉车，火车，PHB自行车，运河船，货运自行车，高尔夫球车，摩托车，轮椅，船舶，飞机，潜艇和火箭已经可以以各种形式使用氢气。 美国宇航局使用氢气将太空飞船发射到太空。 工作玩具模型车在太阳能上运行，使用再生燃料电池以氢气和氧气的形式存储能量。 然后它可以将燃料转换回水中以释放太阳能。 由于水力压裂的出现，氢燃料电池汽车的关键问题是消费者和公共政策混淆，因为采用天然气动力的氢气车辆具有大量的隐藏排放而损害环境友好型运输。
俄亥俄州立大学的Buckeye Bullet 2设定了氢动力车辆的陆速记录，时速为286.476英里/小时（461.038公里/小时），达到了“飞行里程”速度280.007英里/小时（450.628公里/小时） h）2008年8月在Bonneville Salt Flats举行。2007年8月，邦纳维尔盐滩的原型福特Fusion Hydrogen 999燃料电池赛车使用大型设备创造了每小时207.297英里（333.612公里/小时）的记录。压缩氧气罐增加功率。
汽车
截至2016年，在特定市场上有3款氢气车可供选择：丰田Mirai，现代ix35 FCEV和本田Clarity。
丰田于2014年底在日本推出了首款生产燃料电池汽车（FCV）Mirai，并于2015年在加利福尼亚州（主要是洛杉矶地区）开始销售。该车的射程为312英里（502公里），大约需要五分钟来重新装满氢气罐。 日本的初始销售价格约为700万日元（69,000美元）。 前欧洲议会主席帕特考克斯估计，丰田最初将在售出的每辆Mirai上损失约10万美元。 许多汽车公司已经引入了数量有限的示范模型（参见燃料电池汽车清单和氢内燃机汽车清单）。 与其他汽车燃料相比，氢的一个缺点是其密度低。
2013年，宝马从丰田租赁了氢气技术，由福特汽车公司，戴姆勒股份公司和日产组成的集团宣布了氢能技术开发方面的合作。 然而，到2017年，戴姆勒已经放弃了氢动力汽车的开发，大多数开发氢动力汽车的汽车公司已经将注意力转向电池电动汽车。
公共汽车
燃料电池公共汽车（与氢燃料公共汽车相反）正在由不同地区的几家制造商进行试验，例如Ursus Lublin。 燃料电池巴士俱乐部是全球燃料电池巴士测试合作。
电车和火车
2015年3月，中国南方铁路公司（CSR）在青岛的一个装配厂展示了世界上第一台以氢燃料电池为动力的有轨电车。 CSR子公司CSR四方有限公司的总工程师梁建英表示，该公司正在研究如何降低有轨电车的运营成本。 新车的轨道已在中国七个城市建成。 中国计划到2020年投入2000亿元人民币（320亿美元），将电车轨道增加到1200多英里。
在2018年德国北部，第一批燃料电池驱动的Coradia iLint列车投入使用; 多余的电能存储在锂离子电池中。
自行车
2007年，中国上海的Pearl Hydrogen Power Sources在第九届中国国际天然气技术，设备和应用展览会上推出了氢自行车。
军用车辆
通用汽车的军事部门GM Defense专注于氢燃料电池汽车。 其SURUS（Silent Utility Rover Universal Superstructure）是一款具有自主功能的灵活燃料电池电动平台。 自2017年4月以来，美国陆军一直在其美国基地测试商用雪佛兰科罗拉多ZH2，以确定氢动力车辆在军事任务战术环境中的可行性。
摩托车和踏板车
ENV开发由氢燃料电池驱动的电动摩托车，包括Crosscage和双翼飞机。 Vectrix的其他制造商正致力于制造氢气滑板车。 最后，正在制造氢 – 燃料电池 – 电动 – 混合动力滑板车，例如Suzuki Burgman燃料电池踏板车。 和FHybrid。 Burgman在欧盟获得“整车型”批准。 台湾公司APFCT为台湾能源局的80辆燃料电池踏板车进行了现场街道测试。
四头和拖拉机
Autostudi Srl的H-Due是一款氢动力四轮车，能够运送1-3名乘客。 已经提出了一种用于氢动力拖拉机的概念。
飞机
波音，朗格航空和德国航空航天中心等公司都在寻求氢气作为有人驾驶和无人驾驶飞机的燃料。 2008年2月，波音测试了由氢燃料电池驱动的小型飞机的载人飞行。 无人氢飞机也已经过测试。 对于大型客机，“泰晤士报”报道称，“波音表示，氢燃料电池不太可能为大型客机的发动机提供动力，但可以用作备用或辅助动力装置。”
2010年7月，波音公司推出了氢动力幻影无人机，由两台福特内燃机驱动，这些内燃机已经转换为氢气。
在英国，反应发动机A2已被提议利用液态氢的热力学性质，通过在预冷喷射发动机中燃烧来实现非常高速，长距离（对映）飞行。
叉车
HICE叉车或HICE叉车是一种氢燃料，内燃机驱动的工业叉车，用于提升和运输物料。 基于林德X39柴油机的首款生产HICE叉车于2008年5月27日在汉诺威的一个展览会上展出。它使用2.0升，43千瓦（58马力）的柴油内燃机转换为使用氢气作为燃料。使用压缩机和直接喷射。
燃料电池叉车（也称为燃料电池叉车）是燃料电池驱动的工业叉车。 2013年，美国有超过4,000台燃料电池叉车用于物料搬运。 2014 – 2016年全球市场估计每年有100万辆燃料电池动力叉车。 车队由世界各地的公司经营。 派克研究公司在2011年表示，燃料电池动力叉车将成为2020年氢燃料需求的最大推动力。
欧洲和美国的大多数公司都不使用石油动力叉车，因为这些车辆在室内工作，必须控制排放，而是使用电动叉车。 燃料电池驱动的叉车可以提供超过电池驱动叉车的优势，因为它们可以在3分钟内加油。 它们可以用于冷藏仓库，因为它们的性能不会因较低的温度而降低。 燃料电池单元通常设计为直接替代品。
火箭
许多大型火箭使用液态氢作为燃料，液态氧作为氧化剂（LH2 / LOX）。 与煤油/ LOX或UDMH / NTO发动机相比，氢火箭燃料的优点是高有效排气速度。 根据齐奥尔科夫斯基火箭方程，具有较高排气速度的火箭使用较少的推进剂来加速。 此外，氢的能量密度大于任何其他燃料。 对于任何已知的火箭推进剂，LH2 / LOX也相对于消耗的推进剂量产生最大效率。
LH2 / LOX发动机的缺点是液态氢的密度低和温度低，这意味着更大且绝缘，因此需要更重的燃料箱。 这会增加火箭的结构质量，从而显着降低其delta-v。 另一个缺点是LH2 / LOX动力火箭的可储存性差：由于恒定的氢气蒸发，火箭必须在发射前不久加油，这使得低温发动机不适合ICBM和其他需要短时间发射准备的火箭应用。
总的来说，氢气阶段的delta-v通常与致密燃料阶段的差别不大，但氢气阶段的重量要小得多，这使得它对上层阶段特别有效，因为它们由较低阶段承载。阶段。 对于第一阶段，由于较小的车辆尺寸和较低的空气阻力，研究中的致密燃料火箭可能显示出一个小优势。
LH2 / LOX也用于航天飞机运行为电力系统供电的燃料电池。 燃料电池的副产品是水，其用于饮用和其他需要空间水的应用。
重型卡车
2016年，尼古拉汽车公司推出了一款由320千瓦时电动汽车电池供电的氢动力8级重型卡车。 尼古拉计划推出两款氢动力卡车，长途尼古拉一号和日间驾驶室尼古拉二号。 联合包裹服务公司于2017年开始测试氢动力输送车。美国混合动力公司，丰田公司和肯沃斯公司也宣布计划测试8级drayage氢燃料电池卡车。
内燃车
氢内燃机汽车不同于氢燃料电池汽车。 氢内燃汽车是传统汽油内燃机汽车的略微改进版。 这些氢发动机以与汽油发动机相同的方式燃烧燃料; 主要区别在于排气产品。 汽油燃烧产生二氧化碳和水蒸气，而氢燃烧的唯一排气产物是水蒸气。
在1807年，Francois Isaac de Rivaz设计了第一台氢燃料内燃机。 1965年，当时的高中生罗杰比林斯（Roger Billings）将A型车换成氢气。 1970年，Paul Dieges获得了内燃机的改进专利，该改装允许汽油动力发动机在氢气US 3844262上运行。
马自达开发了燃烧氢气的汪克尔发动机。 使用内燃机（如Wankel和活塞发动机）的优势在于降低生产重组的成本。
HICE叉车已经基于直接喷射的转换柴油内燃机进行了演示。
燃料电池
燃料电池成本
氢燃料电池的生产成本相对较高，因为它们的设计需要稀有物质，如铂作为催化剂。2014年，丰田表示将在2015年以低于70,000美元的价格在日本推出丰田Mirai。前欧洲议会主席Pat Cox估计丰田最初将在售出的每辆Mirai上损失大约10万美元。
冻结条件
早期燃料电池设计在低温下涉及范围和冷启动能力的问题已得到解决，因此它们“不再被视为止动器”。 2014年的用户表示，即使加热器爆破，他们的燃料电池汽车在低于零的温度下也能完美运行，而不会显着缩小范围。 在无辅助冷启动中使用中子射线照相的研究表明阴极中的冰形成，冷启动的三个阶段和Nafion离子电导率。 定义为电荷库仑的参数也被定义为测量冷启动能力。
使用寿命
燃料电池的使用寿命与其他车辆相当。 在循环条件下，PEM的使用寿命为7,300小时。
氢
氢不是像化石燃料那样的预先存在的能源，而是首先生产然后作为载体储存，就像电池一样。 大规模部署氢气车辆的建议好处是它可以减少温室气体和臭氧前体的排放。 然而，截至2014年，95％的氢气是由甲烷制成的。 它可以使用可再生资源生产，但这是一个昂贵的过程。 使用电解水的综合风 – 氢（电力到天然气）工厂正在探索技术，以便提供足够低的成本，并且数量足够大，以与传统能源竞争。
根据福特汽车公司的说法，“当燃料电池汽车使用这种工艺从天然气改造而来的氢气运行时，它们不能在井到轮的基础上提供显着的环境效益（由于天然气重整过程产生的温室气体排放）。” 虽然不使用化石燃料的制氢方法将更具可持续性，但目前可再生能源仅占所产生能量的一小部分，并且由可再生资源产生的电力可用于电动车辆和非车辆应用。
在车辆中使用氢气所面临的挑战包括生产，储存，运输和分配。 氢气的井轮效率低于25％。 最近的分析证实了这一点。
生产
作为氢气车辆的车载燃料所需的分子氢可以通过许多热化学方法获得，该方法利用天然气，煤（通过称为煤气化的过程），液化石油气，生物质（生物质气化），通过称为热解的过程，或者作为微生物废物产品，称为生物氢或生物制氢。 95％的氢气是使用天然气生产的，85％的氢气用于去除汽油中的硫。 氢也可以通过电解从水中生产，工作效率在较小的电解器的50-60％范围内，对于较大的电厂约65-70％。 氢还可以通过使用化学氢化物或铝的化学还原来制备。 目前用于制造氢气的技术使用各种形式的能量，总氢气燃料的较高热值的25％至50％，用于生产，压缩或液化，并通过管道或卡车传输氢气。
从化石能源生产氢气的环境后果包括温室气体的排放，这也是甲醇机上重整为氢气的结果。 分析将燃料电池汽车中氢气生产和使用的环境后果与传统汽车发动机中的石油和燃烧精炼相比较，并不同意是否会导致臭氧和温室气体的净减少。 使用可再生能源的氢气生产不会产生这种排放，但是可再生能源生产的规模需要扩大，以用于生产氢气以满足大部分运输需求。 截至2016年，美国14.9％的电力来自可再生能源。 在一些国家，可再生资源被广泛用于生产能源和氢气。 例如，冰岛正在利用地热能来生产氢气，而丹麦正在利用风能。
存储
基于IV型碳复合技术，在350巴（5,000psi）和700巴（10,000psi）的氢气罐中的压缩氢用于车辆中的氢气罐系统。
氢在环境条件下具有非常低的体积能量密度，等于甲烷的约三分之一。 即使当燃料作为液态氢存储在低温罐或压缩氢存储罐中时，体积能量密度（兆焦耳每升）相对于汽油的体积能量密度小。 与汽油相比，氢的质量比能量高三倍（143 MJ / kg对46.9 MJ / kg）。 2011年，洛斯阿拉莫斯国家实验室和阿拉巴马大学的科学家与美国能源部合作，发现了一种单级法补充氨硼烷，一种储氢化合物。 2018年，澳大利亚CSIRO的研究人员使用膜技术为丰田Mirai和Hyundai Nexo提供了从氨中分离氢气的动力。 与纯氢相比，氨更容易在油轮中安全运输。
基础设施
氢气基础设施包括配备氢气的加油站，通过压缩氢气管拖车，液氢罐车或专用现场生产供应氢气，以及一些工业氢气管道运输。 美国各地车辆的氢燃料分配将需要在美国耗资200亿美元的新加氢站（欧盟为46亿美元）。 在美国还有半万亿美元。
截至2018年，美国有40个可公开使用的加氢站，其中大部分位于加利福尼亚州（与19,000个充电站相比）。 到2017年，日本有91个加氢站。
代码和标准
氢代码和标准，以及氢安全和氢储存的代码和技术标准，已被确定为部署氢技术和发展氢经济的制度障碍。 为了实现消费品中氢的商业化，必须由联邦，州和地方政府制定和采用新的规范和标准。
安全
氢动力汽车并不比汽油或汽油动力汽车更危险。 氢是一种非常易挥发的气体，因为它的密度低。 它在室外很快蒸发。 在密闭空间内提供足够的通风，因为它可在4-75体积％的宽范围内燃烧（汽油：0.6-8体积％）。 含氢量小于10.5％的氧气/氢气混合物比空气重，并沉到底部。 隔离不是直接进行的，因此可燃性保持不变，直至低于4％体积限制。 在处理氢气时，安全法规和通风系统必须考虑到这种行为。
汽油是一种缓慢蒸发的液体。 易燃汽油蒸汽比空气重，并且在地面上停留的时间更长，并且它们可以点燃的时间更长。
如果在封闭的房间内释放氢气，则会增加爆炸的风险，例如。 B.在车库或隧道中。 这是为了确保增加通风和可能的额外安全措施。
氢的爆炸极限浓度为18％。 汽油爆炸的时间要早得多，已经浓度为1.1％。 为了发生爆炸或火灾，在这两种情况下，必须首先点燃已经出现的燃料 – 空气混合物。 在氢气的情况下，这需要比汽油（汽油：0.24 mJ）更低的能量0.02 mJ，但实际上它并不重要，因为即使电火花的能量足以产生汽油烟雾点燃。
汽油的点火温度（220-280°C）明显低于氢气（585°C），因此更容易在热表面（如排气歧管或催化剂）上点燃。
点火后，氢燃烧的燃烧速率高于汽油。 如果泄漏位于油箱顶部，火焰会以小直径向上急剧移动。
氢火焰比汽油火焰具有更少的热辐射。 除了氢气火焰之外，它比汽油火焰旁边的热量更少 – 优点是相邻的物品如此。 B.汽车座椅不容易着火。 此外，靠近火焰的人不太可能遭受灼伤。 然而，几乎看不到氢火焰。 因此，存在非自愿参与的风险。
今天使用的压力罐（甚至是汽油罐）甚至可以在没有偏见的情况下发生严重事故。 带有压力罐的氢气车辆可以很容易地停放在停车场和地下车库中。 没有法律规定限制这一点。 相反，带有液态氢的车辆不得存放在封闭的房间内，因为除气会导致爆炸性气体积聚。
储氢的主要问题是泄漏。 氢气罐和管道必须由z引起。 由于天然气或丙烷/丁烷的分子直径较小，密封性更好。 有些材料不适合，因为它们可透过氢气。 泄漏不仅会导致高运输损失，而且当气体积聚并形成氢气混合物时会产生安全隐患。 这就是为什么氢气罐和管道由特殊塑料制成，这在很大程度上阻止了扩散。 此类系统必须得到TÜV的批准。 与汽油蒸气，丙烷或丁烷相比，氢气由于其低密度而向上逸出并且不会在凹陷中聚集是有利的。
与其他类型的替代燃料汽车比较
氢气车辆与现代化石燃料动力车辆基础设施的各种提议替代品竞争。
插电式混合动力车
插电式混合动力电动车辆或PHEV是混合动力车辆，其可插入电网并包含电动机和内燃机。 PHEV概念增强了标准混合动力电动汽车的能力，可以从外部电源为电池充电，从而可以增加车辆电动机的使用，同时减少对内燃机的依赖。 为PHEV充电所需的基础设施已经到位，从电网到汽车的电力传输效率约为93％。 然而，这并不是将电力从电网传输到车轮的唯一能量损失。 交流/直流转换必须从交流电源供电到PHEV的直流电。 这大约是98％的效率。 然后必须给电池充电。 截至2007年，磷酸铁锂电池的充电/放电效率在80-90％之间。 电池需要冷却; GM Volt的电池有4个冷却器和2个散热器。 截至2009年，“氢燃料电池汽车可能利用可再生电力的总体车轮效率大约为20％（尽管这一数字可能会达到25％或更高，因为需要多种技术突破实现氢气经济性。然而，车载电池充电然后将其放电以便在PHEV或EV中运行电动机的效率为80％（未来可能会更高） – 四次比目前的氢燃料电池汽车路径更有效。“ 2006年“科学美国人”杂志的一篇文章认为，PHEV而非氢气车辆将成为汽车行业的标准配置。 2009年12月在加州大学戴维斯分校进行的一项研究发现，PHEV在其生命周期内排放的碳量将比现有车辆少，而氢气汽车排放的碳量将超过汽油车辆。
天然气
基于内燃机的压缩天然气（CNG），HCNG或LNG车辆（天然气车辆或NGV）直接使用甲烷（天然气或沼气）作为燃料来源。 天然气具有比氢气更高的能量密度。 使用沼气的NGV几乎是碳中性的。 与氢气车辆不同，CNG车辆已经可以使用多年，并且有足够的基础设施来提供商业和家庭加油站。 截至2011年底，全世界共有1480万辆天然气汽车。天然气的另一种用途是蒸汽重整，这是生产用于燃料电池的电动汽车的氢气的常用方法。
全电动汽车
2008年技术评论文章指出，“电动汽车和插电式混合动力汽车在利用低碳电力方面比氢燃料电池汽车具有巨大的优势。这是因为整个氢燃料加工过程固有的低效率，用电能产生氢气，长距离输送这种扩散气体，将氢气送入汽车，然后通过燃料电池运行 – 所有这些都是为了将氢气转化为电能以驱动同样精确的电动机。我会找一辆电动车。“ 在热力学上，转化过程中的每个附加步骤都降低了该过程的整体效率。