到底什么是燃料电池？

说起燃料电池这个问题，相信很多人都会很自信的说：你不就是想说丰田那个氢燃料电池汽车嘛，我们都懂，用氢气发电，产生水，无污染，你不用讲了！没错，车实君的确是因为丰田的燃料电池技术才写的这篇文章，但是如果你以为我今天讲的和和你听说的一样的话，那你就错了！今天咱们先不说汽车，就粗浅的说说燃料电池！

想弄明白燃料电池，首先咱得先知道什么是电池。

广义上讲，电池是一种装置，它能将化学能或者太阳能等能量转换为电能输出。而我们一般所说的电池实际上是指化学电源，也就是将化学能转换为电能的装置。可怎么才能实现能量转换呢？

日常生活中的能量的形式有很多种，比如运动的汽车具有动能，山上的巨石具有重力势能。这里车实君给大家举个例子说一下能量的转换。你现在正在拿着手机对不对？好了，你的手机现在就蕴含着重力势能，这个能量与手机离地面的高度成正比。如果你这时候松开手，在重力的作用下，手机就会下落，在下落的时候，由于手机与地表的高度逐渐变小，所以手机蕴含的重力势能就逐渐减小。但是我们都知道能量是不能凭空消失的，那这部分重力势能去了哪里呢？实际上由于手机在下落的时候具有了速度（地心引力做功），重力势能就转换成了手机的动能（不考虑空气摩擦），也就是与手机质量和速度相关的一个物理量。总的来说，整个手机下落的过程就是其具有的重力势能转化为动能的过程。

好了，现在我们知道能量是可以相互转换的。那化学能又是什么呢？

化学能实际上是指储存在物质中的能量。这种能量在一般情况下是隐蔽的，不被察觉的。就好比如果你看到一堆枯树杂草，这时候你并不能感知它具有的能量。但是如果这些枯树和杂草燃烧了起来，你就会感到热，如果你置身于森林大火中，你就会本能的逃命。这就是因为物质所具有的化学能在物质发生化学变化（就是我们通常说的化学反应）的时候才会“表现”出来，而这种“表现”往往是通过其他形式的能量来体现的。比如汽油的燃烧就是汽油蕴含的化学能转化成热能和光能的过程，如果让汽油在气缸内燃烧，那么燃烧释放的能量会使得活塞具有动能，进而驱动汽车行驶。而这就是传统内燃机驱动汽车的能量转换过程。所以说，从根本上讲，驱动车辆的能量是化石燃料中蕴含的化学能（其实再从根本上讲，这些能量都来自于太阳，不过这就又得好久才能说清楚了，生化相关专业的读者们直接留言给大家讲讲吧，车实君后面还有好多字要码呢）。

那化学能又是怎样转换为电能的呢？

其实化学能转换成电能的途径有很多。比如火力发电就是将燃料里面的化学能转换成机械能然后再转换成电能的过程。这也就是我们一直在争论的新能源车“污染转嫁”问题的根源。实际上像火力发电这样的经过多次能量转换得到电能的方式是一种相对比较低效的过程，那有没有能将化学能直接转换为电能的装置呢？有，就是化学电源，也就是狭义上的电池。想了解电池的基本原理，我们只需要明白一切化学电池的雏形——原电池的工作原理。原电池就是一种最为简单的，将化学能直接转换为电能的装置。

如图中所展示的，如果将铜片和锌片同时浸入到稀硫酸中，并且再用导线将连个金属片相连的话，电流表的指针就会发生偏转，也就是说导线中就会有电流通过。微观上讲，锌片上的电子通过导线流向了铜片，而与铜片相接触的硫酸溶液中的氢离子会得到这些电子变成氢气，大量的电子不断定向流过导线就形成了电流。这实际上就是化学能直接转换为电能的过程。但也不是任何化学变化都能改造成原电池的。一般情况下，一个自发的氧化还原反应（这种类型的反应会伴有电子转移，而电子的定向移动会产生电流）其氧化和还原过程分别发生在电池两极，加上电解质溶液，再形成闭合的回路才能构成原电池。而我们现在所说的电池都是基于原电池的原理打造的。化学电源的发现实际上要归功于一位伟大的意大利科学家 Alessandro Volta，也就是伏打，正是他最早发明了伏打电池——最早的原电池，从而将人类利用电能的方式带到了一个新的维度。这里说句题外话，大家都知道特斯拉吧，实际上这家美国公司就是用了物理学家，交流电推广者Nikola Tesla的姓氏来命名的。大家一定还知道乐视汽车吧，他们在北美的合作伙伴Faraday Future实际上用的也是颇具争议的电磁学之父Michael Faraday的姓氏来命名的。车实君估计按照这样的趋势，下一家新能源汽车公司很可能就要用Volta来命名了（其实有个通用的混动车就借鉴了这个名字哦，你想起来了吧）。大家顺便猜猜图中分别对应哪位科学家！

那燃料电池又是怎么一回事儿呢？

前面说到，形成原电池的重要条件之一就是要有个自发的氧化还原反应，而事实上，燃料与氧气的反应就是这样一类反应。作为一类焓减（放热）熵增（混乱度增加）的反应，甲烷，酒精，汽油以及氢气这些燃料与氧气的反应都是自发的，这也就为燃料电池的形成提供了理论基础。而氢-氧燃料电池就是最典型的燃料电池之一。

大家看到，如果将氢气和氧气分别通向电池的两极，那么在通常状况下需要点燃才能引发反应的氢气和氧气，在贵金属的催化作用下发生了电子得失，氢气失去电子，氧气得到电子，在产生电流驱动电机的同时，最终反应得到的产物仅仅是水。也就是说，燃料电池实际上就是让原本燃烧才能释放能量的氢气和氧气，在一个更加温和的条件下直接将化学能转换成电能。

现在很清楚了，燃料电池实际上就是改变了能量转换的方式。让传统的燃料作为电池中的储能物质，在车辆运行过程中平稳高效的产生电能，而实现这个过程的装置就是燃料电池。当然，真正装载在汽车上的燃料电池远比文中介绍的要复杂百倍千倍，车实君只是希望您看完这篇文章能够对燃料电池有个初步的了解。如果您有任何疑问欢迎留言或者给车实君发消息，车实君有问必答！这里预告一下，之后的文章车实君将进一步和大家讨论一下燃料电池汽车的优势与不足，尽请期待！