干貨分析 | 氫燃料電池的三大優(yōu)勢(shì)
來(lái)源：卓克·科技參考 2021-01-05
所謂的燃料電池，就是把物質(zhì)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。氫只是燃料電池中的一種燃料，還有其他的，比如甲烷、乙炔等。
氫之所以能成為大眾心中燃料電池的代名詞，是因?yàn)闅錃庥泻脦讉€(gè)優(yōu)勢(shì)：
第一，反應(yīng)中的副產(chǎn)品只有水，不涉及其他污染物，尤其是溫室氣體。
其實(shí)，今天人們使用汽油對(duì)空氣的污染已經(jīng)不大了，但關(guān)鍵是溫室氣體的排放沒(méi)法解決。在碳排放規(guī)定中，各車(chē)企只能推出低功率版的燃油車(chē)或者混動(dòng)車(chē)、純電動(dòng)車(chē)來(lái)降低溫室氣體的排放。
因?yàn)槿蚰芎牡?0%都來(lái)自化石能源，所以能源消耗量基本就決定了碳排放的多少。但氫燃料電池在燃燒中沒(méi)有二氧化碳和其他溫室氣體，所以被很多人看好。
第二，氫氣很難爆炸。
這一點(diǎn)和很多人的直覺(jué)相悖。首先，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)里為數(shù)不多的幾個(gè)燃燒的實(shí)驗(yàn)中，就有氫氣和氧氣的燃燒。如果氫氣很難燃燒，干嘛還在實(shí)驗(yàn)課上做呢？另外就是，氫氣球的爆炸也給人留下了深刻印象。但實(shí)際上，這些全都是誤解。
最大的誤解就在于，相當(dāng)多的人以為，氫燃料電池工作的主要過(guò)程就是氫氣、氧氣在電池包里燃燒。燃燒，這可太危險(xiǎn)了，我們一定要萬(wàn)分小心。大致就是這樣的邏輯。但實(shí)際上，汽油、柴油工作時(shí)也是燃燒的，我們?cè)趺床缓ε履兀?/p>
而且，氫燃料電池的工作過(guò)程根本就不是點(diǎn)燃，而是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程我們一會(huì)兒會(huì)詳細(xì)介紹。你只要記得，駕駛氫燃料電池汽車(chē)并不是人在前面開(kāi)車(chē)，車(chē)屁股后面燒一個(gè)氫氣爐子。氫燃料電池工作的樣子和鋰電池是一樣的，根本沒(méi)有火苗。你記住這一點(diǎn)就行。
“氫容易燃燒”這個(gè)誤解是從高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的。但實(shí)驗(yàn)課上，氫氧燃燒之所以能燒起來(lái)，是因?yàn)樗瑫r(shí)滿足了兩個(gè)條件：一，濃度足夠高；二，點(diǎn)火。
首先，要想讓氫氣在空氣中燃燒起來(lái)，需要濃度在4%-75%之間，太低或者太高都不會(huì)燃燒。
其次，就算濃度在這個(gè)區(qū)間里，你把它們混合在一起，也是很難燃燒起來(lái)的。我們回憶一下高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)，制備出來(lái)的氫氣是怎么燃燒的？其實(shí)，是事先把酒精燈點(diǎn)燃，然后把噴出氫氣的管子口湊近酒精燈火苗的外焰，然后氫氣才能在空氣中燃燒起來(lái)。
酒精燈的外焰，那是四五百攝氏度的高溫。如果換個(gè)場(chǎng)景，你把氫氣管子插在一個(gè)已經(jīng)非常熱的家用烤箱里，別看里面已經(jīng)280-290多攝氏度了，但氫氣在那里是不會(huì)燃燒的，因?yàn)闇囟忍土恕?/p>
最后，就是氫氣球的爆炸了。那是因?yàn)闅馇虻谋谔×耍b氫氣的罐子可以做得很結(jié)實(shí)。今天，氫燃料電池汽車(chē)上儲(chǔ)藏氫氣的罐子，用普通手槍子彈打都不會(huì)有問(wèn)題。
可能還有人會(huì)說(shuō)，不是很早以前就有一個(gè)氫氣做的飛艇在空中燃燒了起來(lái)嗎？這說(shuō)的是1937年的“興登堡號(hào)空難”。1937年5月6日，興登堡號(hào)飛艇在準(zhǔn)備著陸時(shí)僅僅32秒時(shí)間就被燒毀。但其實(shí)那次空難是因?yàn)?，云層積累的電荷與飛艇的帆布摩擦起電，先點(diǎn)燃了帆布，然后高溫才點(diǎn)燃的氫氣，并不是氫氣的自燃。
你想，氫氣飛艇如果那么容易就起火，它是不可能在旅游業(yè)、巡邏、戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛使用30多年的。只是因?yàn)楹髞?lái)飛機(jī)的可靠性和性能全面超越了它，氫氣飛艇才逐漸退出的。
第三：好運(yùn)輸，好存儲(chǔ)。
普通人一般會(huì)覺(jué)得，還是成型的東西好運(yùn)輸、好儲(chǔ)藏，那是因?yàn)樗麄內(nèi)鄙賹?zhuān)業(yè)設(shè)備。實(shí)際上，對(duì)于一種能源來(lái)說(shuō)，如果它是氣體的，那就再好不過(guò)了。
因?yàn)橹灰淮涡越ê幂敋夤艿?，批量運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題就完美解決了，而且在運(yùn)輸過(guò)程中不需要額外耗費(fèi)太多能源，損失也少。比如，煤炭在運(yùn)輸中被老鄉(xiāng)扒走，還有裝車(chē)卸車(chē)的掉落，這些都是損失。而且，煤炭?jī)r(jià)格中有30%-50%的是物流費(fèi)用。這就很不劃算。
如果能源是氣體形式的，儲(chǔ)藏也會(huì)更方便。高壓讓它濃縮，體積能瞬間縮小到原來(lái)的幾百分之一。而且，同樣質(zhì)量的氫氣，熱值是汽柴油的三倍多。熱值，反應(yīng)的就是它作為燃料燃燒時(shí)釋放的能量。
氫燃料電池的工作原理
說(shuō)完了氫作為燃料電池的三個(gè)優(yōu)勢(shì)，我再來(lái)講講燃料電池是怎么輸出電能的。
其實(shí)，氫燃料電池的歷史非常早。在道光二十五年，也就是公元1845年的時(shí)候，英國(guó)科學(xué)家威廉·格羅夫（William Grove）就制造了第一個(gè)燃料電池。他證實(shí)了，在一定條件下，氫和氧的結(jié)合除了產(chǎn)生水，還會(huì)產(chǎn)生電流。
他當(dāng)然是站在巨人肩膀上的。此前70年，卡文迪許就研究了氫氣加氧氣變成水的過(guò)程；此前50年，尼克爾森（William Nicolson）就研究了剛剛那個(gè)過(guò)程的逆反應(yīng)，也就是電解水生成氫氣和氧氣。威廉·格羅夫的成就就是發(fā)現(xiàn)，氫氣加氧氣生成水不需要有火苗，而且過(guò)程中還有電流產(chǎn)生。
氫燃料電池是這樣的：
給燃料電池的負(fù)極提供氫氣，正極提供氧氣，然后在正負(fù)極之間加一層膜。在催化劑的作用下，氫原子外層的電子會(huì)游離出來(lái)，變成電子+氫離子。而那層膜是很特殊的，只有氫離子可以通過(guò)，電子會(huì)被擋在膜外。由于氫離子實(shí)際上就是質(zhì)子，所以那層膜也叫“質(zhì)子交換膜”。剛才說(shuō)了，電子是通不過(guò)這層膜的，所以會(huì)在膜的一邊越聚越多。如果在電子聚集的地方接一根導(dǎo)線，通到正極，電子就會(huì)在電壓的驅(qū)使下嗖嗖嗖的跑過(guò)去。而這，就是電池在輸出電流。
那些透過(guò)膜的質(zhì)子和正極的氧反應(yīng)會(huì)生成水，并且放出一定的熱。這些就是氫燃料電池的全部副產(chǎn)物。
由于一層膜左右兩側(cè)的壓差比較小，通常只有0.5V-1.0V，所以只要把正負(fù)極夾著一層膜的結(jié)構(gòu)疊加幾百層，就能得到需要的高電壓。在這個(gè)電池里，是沒(méi)有任何火焰出現(xiàn)的。不過(guò)，為了保證催化劑的活性，在電動(dòng)車(chē)使用的燃料電池類(lèi)型中，電池的工作溫度在90攝氏度左右。其實(shí)，這比很多燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度要低很多。
這個(gè)過(guò)程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率最高可以到80%，遠(yuǎn)比內(nèi)燃機(jī)的40%高得多。
當(dāng)然，氫燃料電池不止剛剛說(shuō)的質(zhì)子交換膜這一種，還有其他類(lèi)型，它們的反應(yīng)物和電解質(zhì)都不太一樣。
比如，航天中用的燃料電池，電解質(zhì)是氫氧化鉀。而熔融態(tài)硅酸鹽、氧化鋯、磷酸等作為電解質(zhì)的氫燃料電池，都是給發(fā)電站用的。氫燃料電動(dòng)汽車(chē)用的這種電池，是比較晚才出現(xiàn)的一種新型氫燃料電池。
氫燃料電池的問(wèn)題
雖然氫燃料電池在工作時(shí)只產(chǎn)生水和廢熱，而且很多廢熱還能再次利用，看上去實(shí)在美好，但特斯拉的馬斯克曾經(jīng)很多次痛批氫燃料電池，說(shuō)是愚蠢至極（mind-bogglingly stupid）。他認(rèn)為，氫燃料電池根本不可能成功，而且還會(huì)制造大量的垃圾，因?yàn)闅淙剂想姵氐哪茉蠢寐史浅５汀?/p>
這和我們剛剛介紹的80%的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率是矛盾的嗎？為什么？
因?yàn)槲覀冎豢紤]了，在燃料電池中已經(jīng)灌滿氫以后的轉(zhuǎn)化效率。實(shí)際上，到底制沒(méi)制造出大量垃圾，是要從源頭到終點(diǎn)整條路徑考慮的。馬斯克完全可以算是一個(gè)能源行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士，他的評(píng)價(jià)是針對(duì)整條路徑的，也就是從制備氫氣、壓縮氫氣、運(yùn)輸氫氣、使用氫氣這整條鏈來(lái)看。
單單從制造氫氣這一環(huán)看，就有一點(diǎn)不給力。因?yàn)楝F(xiàn)在全球氫氣總產(chǎn)量的96%是靠化石能源制造出來(lái)的，主要是以下幾種方式：
第一大方法是蒸汽甲烷重整，這種方法生產(chǎn)了全球一半左右的氫。但這個(gè)技術(shù)中使用的甲烷，大約會(huì)有7%泄露到大氣層中，而甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的28倍。所以，用氫做燃料當(dāng)然沒(méi)有增加溫室氣體，但在制造過(guò)程中早就把這個(gè)缺口補(bǔ)足了。
制造氫氣的第二大方法就是電解，利用的雖然是電能，但電能又大都來(lái)自化石能源。
汽油或者天然氣就是化石能源，直接在汽車(chē)上使用，就只有一次轉(zhuǎn)化效率上的損失。而氫燃料電池要先利用化石燃料制作氫氣，或者發(fā)電用來(lái)電解水，然后再制作氫。僅僅是這一步的轉(zhuǎn)化，就能把氫燃料電池80%的效率優(yōu)勢(shì)損失殆盡。
馬斯克在批判氫燃料電池時(shí)，對(duì)比了純電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電動(dòng)車(chē)。他說(shuō)，如果用太陽(yáng)能板給純電動(dòng)汽車(chē)充電，這里幾乎不存在什么損耗。而如果用太陽(yáng)能制造氫，然后再處理、壓縮、運(yùn)輸，最后大約會(huì)有一半能量被浪費(fèi)掉。所以，馬斯克的批評(píng)還是客氣的，他假設(shè)了制造氫的環(huán)節(jié)使用的是太陽(yáng)能，他批的是后續(xù)的壓縮和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。
不過(guò)，既然日本的豐田如此推崇氫燃料電池，他們也有自己的理由——馬斯克你也應(yīng)該把制造鋰電池過(guò)程中耗費(fèi)的能量和環(huán)境成本算進(jìn)來(lái)，而且鋰電池還有后續(xù)報(bào)廢的問(wèn)題。
所以，現(xiàn)在雙方的說(shuō)法都有道理。之所以雙方的立場(chǎng)如此對(duì)立，還是因?yàn)樗麄冊(cè)趦r(jià)值觀上的差異。畢竟雙方都真金白銀的在自己認(rèn)同的方向上砸了幾百億美元，都期待在未來(lái)能開(kāi)花結(jié)果。
