冬奥会给大家表演一个“控火术”

2H₂+O₂→2H₂O，反应条件燃烧，这是我们再熟悉不过的初中化学反应方程式。燃烧会释放大量的能量，汽车中的发动机就是利用燃料燃烧将化学能转化为动能的，也叫内燃机。

在今年北京冬奥会上，负责延庆和张家口赛区运输工作的，是700多辆氢能大巴，采用了氢燃料电池技术，可以直接把化学能转换为电能，不再需要燃烧这一步骤。不仅能量转化效率高，还绿色环保，无温室气体排放。为此，北京周边建起了30多个制氢、加氢站，为观众、选手以及赛事工作人员提供便利的服务。这意味着，全球最大规模的氢燃料电池汽车工作示范，即将在北京冬奥会上上演。我们现在所用到的新能源汽车除了氢燃料电池车，更多的是锂电池储能汽车。那么氢燃料电池车的使用，都有哪些优点和缺点呢？

清洁环保

首先，普通油车因为内燃机的工作，产生大量的尾气，锂电池能源车，虽然不直接产生废气，但是它所用到的电能，就目前而言主要还是来自火力发电，火电厂的主要燃料是煤炭，也相当于是在燃烧化石能源。氢燃料电池的燃料是H2，大家知道氢气燃烧最终的产物只有水，所以从这一点上来看，无疑氢燃料电池在环保属性这一条，完胜绝大多数能源。

高能效

其次，不论蒸汽机，还是内燃机，能量转化效率都不超过50%，大量的热能会随着尾气排放损失掉。氢燃料电池不涉及燃烧，能量转化效率可以达到90%，可以实现更高的能量密度（单位质量的能源所能提供的最大能量值），对于应用于汽车上来说，续航里程就可以达到更远。

目前锂电能源车，在能量密度这一块已经发展到了瓶颈，最多达到300Kw/Kg,如果继续增加电池的量，电池自身的重量也会增加汽车的能耗，不仅无法有效提升续航里程，而且充电也会需要更长的时间。氢燃料电池的能量密度能轻松达到350Kw/kg，而且就目前的技术而言，还有进步空间，加氢的过程只有几分钟，和燃油车的速度相当，续航可以达到700~800Km，因此高能效也是氢燃料电池汽车非常突出的优点。

抗寒性

最后，还有抗寒性能，锂电能源的核心是锂电池，在极寒的条件下，比如零下三、四十度，锂电池内部的电解液粘度会增加，进而导致内阻增加，这种情况下如果给电池进行充电，是非常危险的。尤其是现在的充电站，为了能够更快续航，出现了很多大电流快充充电桩，如果在极寒条件下使用非常危险。氢燃料电池的工作原理属于电化学反应，反应可控，随用随开，安全高效，可以非常平稳的在冬天进行使用。

说完氢燃料电池的优点，我们再来说说它的缺点。氢燃料电池本身的工作组件上没有太大问题，但限制氢能发展的最大问题是制氢和储氢运输问题。前文述及的

制氢

利用电流可以很容易的电解水，得到氢气，但是需要的电量巨大，并不适合大规模的生产。不过风能和光伏能源产生的电能，倒是可以考虑用来制备氢气，毕竟这两种能源属于不稳定能源，不适合民用，因此用这两种能源制作氢气可以将不稳定能源转化成稳定能源。另外还有一部分工业副产品制氢，催化剂有机制氢，氨气制氢等方法。但整体的能耗还是偏高的。

储氢运输

氢在常温常压下是气态，在低温高压下可以变成液态，这也对应了最常见的两种储氢方式，高压气态储氢和低温液态储氢。高压气态储氢优点比较明显，成本低，充放气效率高，安全性能高，但弱点就在于作为自然界中的1号元素单质，氢气的密度实在是太低了，1个40L的钢瓶只能储存0.5Kg左右的氢气，氢气的重量还不到存储钢瓶重量的5%。如果换成低温液态储氢，存储的效率就可以大大提升，因为液态氢的密度可以比气态氢高500倍以上，但随之带来的就是高成本和高风险的代价，将氢气液化常压条件下需要-253℃，这一过程消耗的能量相当于所存储能量的30%，而且制作液态储氢介质的材料还需要具有良好的绝热性能，以防液氢沸腾带来的风险。

讲了这么多，也该讲讲氢燃料电池的工作原理了

氢，作为自然界中的1号元素，占整个宇宙的75%的质量。通过前面的介绍，我们知道氢能几乎是人类最理想的能源。开篇我们提到了“控火术”，并不是无中生有。我们知道，不管是化石燃料还是氢气，都需要燃烧才能释放能量。燃烧的本质是可燃物与空气中的氧气，发生了氧化反应，最终产生了更加稳定的分子结构，并释放能量。其中大部分都是热量，而热量无法直接转化为动能或者电能。既然氧化反应的过程只是氧化剂与还原剂之间的电子得失，电子得失可以产生电流，那么有没有一种方法，可以让化学能直接转化为电能呢？现在冬奥会上的氢能汽车已经给出了肯定答案，那就是氢燃料电池技术。氢燃料电池从严格意义上讲，应该叫它氢燃料发电机，主要有三大部分组成：双极板、扩散层、膜电极（MAE）。双极板分为阴极板和阳极板，一般结构上会有很多的沟槽，作用是收集反应中产生的电子；扩散层类似传输介质，主要负责传输氢气和空气，将他们运输到发生反应的膜电极附近；膜电极，是燃料电池的核心部件，中间是一层电解质膜，主要的功能是负责电子渗透。当氢燃料电池工作时，氢在扩散层中分离成电子和质子，然后电子通过膜电极渗透到氧所在的扩散层，与之结合，最后质子与氧离子在膜电极处结合成水分子，这一过程中产生的电流，通过阴阳极版收集再传导出去，氢燃料电池就可以发电了。在氢燃料电池中，这种层状结构往往会堆叠很多层，所以有些人也称之为氢燃料反应电池堆。

在全世界倡导碳中和的背景下，各国都在大力发展氢能。目前的氢能情况，由于制造和存储运输成本非常高，我们冬奥会使用的氢能成本大约有70%都是制造和储存的成本。不过作为人类目前位置最清洁、高效的理想能源，氢能在未来的人类社会的发展中前景无限。