所谓的燃料电池，就是把物质中的化学能直接转换成电能的装置。氢只是燃料电池中的一种燃料，还有其他的，比如甲烷、乙炔等。
氢之所以能成为大众心中燃料电池的代名词，是因为氢气有好几个优势：
第一，反应中的副产品只有水，不涉及其他污染物，尤其是温室气体。
其实，今天人们使用汽油对空气的污染已经不大了，但关键是温室气体的排放没法解决。在碳排放规定中，各车企只能推出低功率版的燃油车或者混动车、纯电动车来降低温室气体的排放。
因为全球能耗的80%都来自化石能源，所以能源消耗量基本就决定了碳排放的多少。但氢燃料电池在燃烧中没有二氧化碳和其他温室气体，所以被很多人看好。
第二，氢气很难爆炸。
这一点和很多人的直觉相悖。首先，中学化学实验里为数不多的几个燃烧的实验中，就有氢气和氧气的燃烧。如果氢气很难燃烧，干嘛还在实验课上做呢？另外就是，氢气球的爆炸也给人留下了深刻印象。但实际上，这些全都是误解。
最大的误解就在于，相当多的人以为，氢燃料电池工作的主要过程就是氢气、氧气在电池包里燃烧。燃烧，这可太危险了，我们一定要万分小心。大致就是这样的逻辑。但实际上，汽油、柴油工作时也是燃烧的，我们怎么不害怕呢？
而且，氢燃料电池的工作过程根本就不是点燃，而是一个电化学过程。这个过程我们一会儿会详细介绍。你只要记得，驾驶氢燃料电池汽车并不是人在前面开车，车屁股后面烧一个氢气炉子。氢燃料电池工作的样子和锂电池是一样的，根本没有火苗。你记住这一点就行。
“氢容易燃烧”这个误解是从高中化学实验开始的。但实验课上，氢氧燃烧之所以能烧起来，是因为它同时满足了两个条件：一，浓度足够高；二，点火。
首先，要想让氢气在空气中燃烧起来，需要浓度在4%-75%之间，太低或者太高都不会燃烧。
其次，就算浓度在这个区间里，你把它们混合在一起，也是很难燃烧起来的。我们回忆一下高中化学实验，制备出来的氢气是怎么燃烧的？其实，是事先把酒精灯点燃，然后把喷出氢气的管子口凑近酒精灯火苗的外焰，然后氢气才能在空气中燃烧起来。
酒精灯的外焰，那是四五百摄氏度的高温。如果换个场景，你把氢气管子插在一个已经非常热的家用烤箱里，别看里面已经280-290多摄氏度了，但氢气在那里是不会燃烧的，因为温度太低了。
最后，就是氢气球的爆炸了。那是因为气球的壁太薄了，而装氢气的罐子可以做得很结实。今天，氢燃料电池汽车上储藏氢气的罐子，用普通手枪子弹打都不会有问题。
可能还有人会说，不是很早以前就有一个氢气做的飞艇在空中燃烧了起来吗？这说的是1937年的“兴登堡号空难”。1937年5月6日，兴登堡号飞艇在准备着陆时仅仅32秒时间就被烧毁。但其实那次空难是因为，云层积累的电荷与飞艇的帆布摩擦起电，先点燃了帆布，然后高温才点燃的氢气，并不是氢气的自燃。
你想，氢气飞艇如果那么容易就起火，它是不可能在旅游业、巡逻、战争中广泛使用30多年的。只是因为后来飞机的可靠性和性能全面超越了它，氢气飞艇才逐渐退出的。
第三：好运输，好存储。
普通人一般会觉得，还是成型的东西好运输、好储藏，那是因为他们缺少专业设备。实际上，对于一种能源来说，如果它是气体的，那就再好不过了。
因为只要一次性建好输气管道，批量运输的问题就完美解决了，而且在运输过程中不需要额外耗费太多能源，损失也少。比如，煤炭在运输中被老乡扒走，还有装车卸车的掉落，这些都是损失。而且，煤炭价格中有30%-50%的是物流费用。这就很不划算。
如果能源是气体形式的，储藏也会更方便。高压让它浓缩，体积能瞬间缩小到原来的几百分之一。而且，同样质量的氢气，热值是汽柴油的三倍多。热值，反应的就是它作为燃料燃烧时释放的能量。
氢燃料电池的工作原理
说完了氢作为燃料电池的三个优势，我再来讲讲燃料电池是怎么输出电能的。
其实，氢燃料电池的历史非常早。在道光二十五年，也就是公元1845年的时候，英国科学家威廉·格罗夫（William Grove）就制造了第一个燃料电池。他证实了，在一定条件下，氢和氧的结合除了产生水，还会产生电流。
他当然是站在巨人肩膀上的。此前70年，卡文迪许就研究了氢气加氧气变成水的过程；此前50年，尼克尔森（William Nicolson）就研究了刚刚那个过程的逆反应，也就是电解水生成氢气和氧气。威廉·格罗夫的成就就是发现，氢气加氧气生成水不需要有火苗，而且过程中还有电流产生。
氢燃料电池是这样的：
给燃料电池的负极提供氢气，正极提供氧气，然后在正负极之间加一层膜。在催化剂的作用下，氢原子外层的电子会游离出来，变成电子+氢离子。而那层膜是很特殊的，只有氢离子可以通过，电子会被挡在膜外。由于氢离子实际上就是质子，所以那层膜也叫“质子交换膜”。刚才说了，电子是通不过这层膜的，所以会在膜的一边越聚越多。如果在电子聚集的地方接一根导线，通到正极，电子就会在电压的驱使下嗖嗖嗖的跑过去。而这，就是电池在输出电流。
那些透过膜的质子和正极的氧反应会生成水，并且放出一定的热。这些就是氢燃料电池的全部副产物。
由于一层膜左右两侧的压差比较小，通常只有0.5V-1.0V，所以只要把正负极夹着一层膜的结构叠加几百层，就能得到需要的高电压。在这个电池里，是没有任何火焰出现的。不过，为了保证催化剂的活性，在电动车使用的燃料电池类型中，电池的工作温度在90摄氏度左右。其实，这比很多燃油发动机的温度要低很多。
这个过程中，化学能转化为电能的效率最高可以到80%，远比内燃机的40%高得多。
当然，氢燃料电池不止刚刚说的质子交换膜这一种，还有其他类型，它们的反应物和电解质都不太一样。
比如，航天中用的燃料电池，电解质是氢氧化钾。而熔融态硅酸盐、氧化锆、磷酸等作为电解质的氢燃料电池，都是给发电站用的。氢燃料电动汽车用的这种电池，是比较晚才出现的一种新型氢燃料电池。
氢燃料电池的问题
虽然氢燃料电池在工作时只产生水和废热，而且很多废热还能再次利用，看上去实在美好，但特斯拉的马斯克曾经很多次痛批氢燃料电池，说是愚蠢至极（mind-bogglingly stupid）。他认为，氢燃料电池根本不可能成功，而且还会制造大量的垃圾，因为氢燃料电池的能源利用率非常低。
这和我们刚刚介绍的80%的化学能转化为电能的效率是矛盾的吗？为什么？
因为我们只考虑了，在燃料电池中已经灌满氢以后的转化效率。实际上，到底制没制造出大量垃圾，是要从源头到终点整条路径考虑的。马斯克完全可以算是一个能源行业的业内人士，他的评价是针对整条路径的，也就是从制备氢气、压缩氢气、运输氢气、使用氢气这整条链来看。
单单从制造氢气这一环看，就有一点不给力。因为现在全球氢气总产量的96%是靠化石能源制造出来的，主要是以下几种方式：
第一大方法是蒸汽甲烷重整，这种方法生产了全球一半左右的氢。但这个技术中使用的甲烷，大约会有7%泄露到大气层中，而甲烷的温室效应是二氧化碳的28倍。所以，用氢做燃料当然没有增加温室气体，但在制造过程中早就把这个缺口补足了。
制造氢气的第二大方法就是电解，利用的虽然是电能，但电能又大都来自化石能源。
汽油或者天然气就是化石能源，直接在汽车上使用，就只有一次转化效率上的损失。而氢燃料电池要先利用化石燃料制作氢气，或者发电用来电解水，然后再制作氢。仅仅是这一步的转化，就能把氢燃料电池80%的效率优势损失殆尽。
马斯克在批判氢燃料电池时，对比了纯电动汽车和氢燃料电动车。他说，如果用太阳能板给纯电动汽车充电，这里几乎不存在什么损耗。而如果用太阳能制造氢，然后再处理、压缩、运输，最后大约会有一半能量被浪费掉。所以，马斯克的批评还是客气的，他假设了制造氢的环节使用的是太阳能，他批的是后续的压缩和运输环节。
不过，既然日本的丰田如此推崇氢燃料电池，他们也有自己的理由——马斯克你也应该把制造锂电池过程中耗费的能量和环境成本算进来，而且锂电池还有后续报废的问题。
所以，现在双方的说法都有道理。之所以双方的立场如此对立，还是因为他们在价值观上的差异。毕竟双方都真金白银的在自己认同的方向上砸了几百亿美元，都期待在未来能开花结果。
来源 | 卓克·科技参考
