所謂的燃料電池，就是把物質中的化學能直接轉換成電能的裝置。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，是因為氫氣有好幾個優勢：
第一，反應中的副產品只有水，不涉及其他汙染物，尤其是溫室氣體。
其實，今天人們使用汽油對空氣的汙染已經不大了，但關鍵是溫室氣體的排放沒法解決。在碳排放規定中，各車企只能推出低功率版的燃油車或者混動車、純電動車來降低溫室氣體的排放。
因為全球能耗的80%都來自化石能源，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。
這一點和很多人的直覺相悖。首先，中學化學實驗裡為數不多的幾個燃燒的實驗中，就有氫氣和氧氣的燃燒。如果氫氣很難燃燒，幹嘛還在實驗課上做呢？另外就是，氫氣球的爆炸也給人留下了深刻印象。但實際上，這些全都是誤解。
最大的誤解就在於，相當多的人以為，氫燃料電池工作的主要過程就是氫氣、氧氣在電池包裡燃燒。燃燒，這可太危險了，我們一定要萬分小心。大致就是這樣的邏輯。但實際上，汽油、柴油工作時也是燃燒的，我們怎麼不害怕呢？
而且，氫燃料電池的工作過程根本就不是點燃，而是一個電化學過程。這個過程我們一會兒會詳細介紹。你只要記得，駕駛氫燃料電池汽車並不是人在前面開車，車屁股後面燒一個氫氣爐子。氫燃料電池工作的樣子和鋰電池是一樣的，根本沒有火苗。你記住這一點就行。
「氫容易燃燒」這個誤解是從高中化學實驗開始的。但實驗課上，氫氧燃燒之所以能燒起來，是因為它同時滿足了兩個條件：一，濃度足夠高；二，點火。
首先，要想讓氫氣在空氣中燃燒起來，需要濃度在4%-75%之間，太低或者太高都不會燃燒。
其次，就算濃度在這個區間裡，你把它們混合在一起，也是很難燃燒起來的。我們回憶一下高中化學實驗，製備出來的氫氣是怎麼燃燒的？其實，是事先把酒精燈點燃，然後把噴出氫氣的管子口湊近酒精燈火苗的外焰，然後氫氣才能在空氣中燃燒起來。
酒精燈的外焰，那是四五百攝氏度的高溫。如果換個場景，你把氫氣管子插在一個已經非常熱的家用烤箱裡，別看裡面已經280-290多攝氏度了，但氫氣在那裡是不會燃燒的，因為溫度太低了。
最後，就是氫氣球的爆炸了。那是因為氣球的壁太薄了，而裝氫氣的罐子可以做得很結實。今天，氫燃料電池汽車上儲藏氫氣的罐子，用普通手槍子彈打都不會有問題。
可能還有人會說，不是很早以前就有一個氫氣做的飛艇在空中燃燒了起來嗎？這說的是1937年的「興登堡號空難」。1937年5月6日，興登堡號飛艇在準備著陸時僅僅32秒時間就被燒毀。但其實那次空難是因為，雲層積累的電荷與飛艇的帆布摩擦起電，先點燃了帆布，然後高溫才點燃的氫氣，並不是氫氣的自燃。
你想，氫氣飛艇如果那麼容易就起火，它是不可能在旅遊業、巡邏、戰爭中廣泛使用30多年的。只是因為後來飛機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：好運輸，好存儲。
普通人一般會覺得，還是成型的東西好運輸、好儲藏，那是因為他們缺少專業設備。實際上，對於一種能源來說，如果它是氣體的，那就再好不過了。
因為只要一次性建好輸氣管道，批量運輸的問題就完美解決了，而且在運輸過程中不需要額外耗費太多能源，損失也少。比如，煤炭在運輸中被老鄉扒走，還有裝車卸車的掉落，這些都是損失。而且，煤炭價格中有30%-50%的是物流費用。這就很不划算。
如果能源是氣體形式的，儲藏也會更方便。高壓讓它濃縮，體積能瞬間縮小到原來的幾百分之一。而且，同樣質量的氫氣，熱值是汽柴油的三倍多。熱值，反應的就是它作為燃料燃燒時釋放的能量。
氫燃料電池的工作原理
說完了氫作為燃料電池的三個優勢，我再來講講燃料電池是怎麼輸出電能的。
其實，氫燃料電池的歷史非常早。在道光二十五年，也就是公元1845年的時候，英國科學家威廉·格羅夫（William Grove）就製造了第一個燃料電池。他證實了，在一定條件下，氫和氧的結合除了產生水，還會產生電流。
他當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程；此前50年，尼克爾森（William Nicolson）就研究了剛剛那個過程的逆反應，也就是電解水生成氫氣和氧氣。威廉·格羅夫的成就就是發現，氫氣加氧氣生成水不需要有火苗，而且過程中還有電流產生。
氫燃料電池是這樣的：
給燃料電池的負極提供氫氣，正極提供氧氣，然後在正負極之間加一層膜。在催化劑的作用下，氫原子外層的電子會游離出來，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，電子會被擋在膜外。由於氫離子實際上就是質子，所以那層膜也叫「質子交換膜」。剛才說了，電子是通不過這層膜的，所以會在膜的一邊越聚越多。如果在電子聚集的地方接一根導線，通到正極，電子就會在電壓的驅使下嗖嗖嗖的跑過去。而這，就是電池在輸出電流。
那些透過膜的質子和正極的氧反應會生成水，並且放出一定的熱。這些就是氫燃料電池的全部副產物。
由於一層膜左右兩側的壓差比較小，通常只有0.5V-1.0V，所以只要把正負極夾著一層膜的結構疊加幾百層，就能得到需要的高電壓。在這個電池裡，是沒有任何火焰出現的。不過，為了保證催化劑的活性，在電動車使用的燃料電池類型中，電池的工作溫度在90攝氏度左右。其實，這比很多燃油發動機的溫度要低很多。
這個過程中，化學能轉化為電能的效率最高可以到80%，遠比內燃機的40%高得多。
當然，氫燃料電池不止剛剛說的質子交換膜這一種，還有其他類型，它們的反應物和電解質都不太一樣。
比如，航天中用的燃料電池，電解質是氫氧化鉀。而熔融態矽酸鹽、氧化鋯、磷酸等作為電解質的氫燃料電池，都是給發電站用的。氫燃料電動汽車用的這種電池，是比較晚才出現的一種新型氫燃料電池。
氫燃料電池的問題
雖然氫燃料電池在工作時只產生水和廢熱，而且很多廢熱還能再次利用，看上去實在美好，但特斯拉的馬斯克曾經很多次痛批氫燃料電池，說是愚蠢至極（mind-bogglingly stupid）。他認為，氫燃料電池根本不可能成功，而且還會製造大量的垃圾，因為氫燃料電池的能源利用率非常低。
這和我們剛剛介紹的80%的化學能轉化為電能的效率是矛盾的嗎？為什麼？
因為我們只考慮了，在燃料電池中已經灌滿氫以後的轉化效率。實際上，到底制沒製造出大量垃圾，是要從源頭到終點整條路徑考慮的。馬斯克完全可以算是一個能源行業的業內人士，他的評價是針對整條路徑的，也就是從製備氫氣、壓縮氫氣、運輸氫氣、使用氫氣這整條鏈來看。
單單從製造氫氣這一環看，就有一點不給力。因為現在全球氫氣總產量的96%是靠化石能源製造出來的，主要是以下幾種方式：
第一大方法是蒸汽甲烷重整，這種方法生產了全球一半左右的氫。但這個技術中使用的甲烷，大約會有7%洩露到大氣層中，而甲烷的溫室效應是二氧化碳的28倍。所以，用氫做燃料當然沒有增加溫室氣體，但在製造過程中早就把這個缺口補足了。
製造氫氣的第二大方法就是電解，利用的雖然是電能，但電能又大都來自化石能源。
汽油或者天然氣就是化石能源，直接在汽車上使用，就只有一次轉化效率上的損失。而氫燃料電池要先利用化石燃料製作氫氣，或者發電用來電解水，然後再製作氫。僅僅是這一步的轉化，就能把氫燃料電池80%的效率優勢損失殆盡。
馬斯克在批判氫燃料電池時，對比了純電動汽車和氫燃料電動車。他說，如果用太陽能板給純電動汽車充電，這裡幾乎不存在什麼損耗。而如果用太陽能製造氫，然後再處理、壓縮、運輸，最後大約會有一半能量被浪費掉。所以，馬斯克的批評還是客氣的，他假設了製造氫的環節使用的是太陽能，他批的是後續的壓縮和運輸環節。
不過，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——馬斯克你也應該把製造鋰電池過程中耗費的能量和環境成本算進來，而且鋰電池還有後續報廢的問題。
所以，現在雙方的說法都有道理。之所以雙方的立場如此對立，還是因為他們在價值觀上的差異。畢竟雙方都真金白銀的在自己認同的方向上砸了幾百億美元，都期待在未來能開花結果。
來源：卓克·科技參考