氫燃料電池的工作原理則是電解水的逆反應，用催化劑讓氫氣和氧氣結合變成水，氫原子在這個過程中會釋放出電子從而產生電。
氫能源汽車使用的就是氫燃料電池，所以氫能源汽車實際上還是電動車，氫燃料電池與其說是電池，倒不如說是一個發電機。
與電動汽車相比，氫燃料電池不存在衰退的問題，而且氫燃料電池的轉化效率可以達到70%左右，續航里程以第二代豐田Mirai為例可以達到850公里，加氫氣的時間只需要不到五分鐘，所以理論上氫燃料電池會是更加理想的替代內燃機替代品。
但是氫氣的儲存和運輸成本非常高，所以還未能形成一條完整的上下游產業鏈，直接導致了氫燃料無法成為新能源的主流。
同時，氫氣的制造也有很大的限制條件，政府的相關報告指出，目前我國的氫氣主要是從煤炭中冶煉出來，通過電解水制備的比例比較低。原因在于電解水雖然簡單，但是耗電量比較大，1立方的氫氣電解制備就需要5度電，要真正做到環保，使用的電只能是核電、風力電、水力電、光伏電等可再生能源產生的，但這些發電方式的比例非常低。
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