氢燃料电池的工作原理是什么 燃料电池是怎么输出电能的？|即时

氢燃料电池的工作原理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。

(资料图片)

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。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。

这和我们知道的氢燃料电池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。

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。