原标题：电解槽： 我们如何通过将电力传递到化学品来制造燃料？

　　大约一个世纪以前，汽车的数量 在地球上数以千计。今天，有类似的东西 十亿辆汽车- 地球上大约每七个人中就有一个人，这个数字是预期的 要命中 到 2040 年达到 20 亿.把地球想象成一个巨大的加油站 只有有限的燃料供应，你会很快意识到 我们有问题。许多地质学家认为我们正在达到一个点。 他们打电话 “石油峰值” 在接下来的几十年里，汽油供应 (以及由石油制成的其他所有东西)将开始减少。如果 发生这种情况，我们所有的汽车将从哪里获得燃料? 短期解决方案是获得更好的燃油效率 从现有汽车。从长远来看，解决方案 可能是将车辆从汽油发动机切换 和 柴油 自 电 燃料电池，有点像氢动力电池 永不平坦的气体。沉默和 污染 免费，他们是 迄今为止最清洁、最环保的电源。 他们都是他们所承诺的吗?让我们仔细看看它们是如何工作的!

　　相片：福特汽车公司的氢燃料电池演示车(福特福克斯改良版)。 图片由 美国宇航局肯尼迪航天中心(NASA-KSC).

　　什么是燃料电池?

　　照片：福特氢燃料电池汽车引擎盖下。 照片由福特汽车公司提供 美国能源部/国家可再生能源实验室.

　　实际上只有两种方法可以为现代汽车提供动力。大多数汽车在 今天的道路使用内燃机 发动机 燃烧石油基燃料，产生热量，并将活塞向上推 下来驱动变速箱和车轮。 电 汽车 以完全不同的方式工作。他们不是引擎，而是引擎 恃 电池 那个提要 电 电源 电动机 直接驱动车轮。混合动力汽车两者兼而有之 内燃机和 电 电机 并在两者之间切换以适应驾驶条件。

　　燃料电池有点像内燃机之间的交叉 发动机和电池电源。像内燃机一样，它们使 使用油箱中的燃料提供动力(尽管燃料是加压的 氢气而不是汽油或 柴油).但是，与引擎不同，a 燃料电池不燃烧氢气。相反，它被融合了 用空气中的氧气化学生成水。在这个过程中， 这类似于电池中发生的情况，电力被释放和 这用于为可以驱动 车辆。唯一的废物是水——它是如此纯净，你可以 喝吧!

　　将燃料电池视为永不停电的电池。而不是 慢慢耗尽其中的化学物质(就像普通电池一样)， 燃料电池依靠稳定的氢气供应运行，并不断制造 只要油箱里有燃料，就可以供电。

　　燃料电池如何从氢气中发电?

　　燃料电池中发生的事情称为 电化学 反应。 这是一种化学反应，因为它涉及两种化学物质的连接 在一起，但这也是一种电反应，因为电是 随着反应的进行而产生。

　　燃料电池有三个类似于电池的关键部件。它 有一个带正电的端子(此处以红色显示)，一个负电荷 充电端子(蓝色)和 分离两者之间称为电解质的化学物质(黄色) 将它们分开。(把整个事情想象成一个火腿三明治。二 端子是面包块，电解质是介于两者之间的火腿。

　　以下是燃料电池发电的方式：

　　来自储罐的氢气(此处显示为大的棕色斑点)沿着管道输送到正极端子。氢气易燃 和爆炸性，所以坦克必须非常坚固。

　　空气中的氧气(大绿松石斑点)沿着第二根管道流向负极端子。

　　正极(红色)由 铂，一种贵金属 催化剂 旨在加速燃料电池中发生的化学反应。什么时候 原子 的氢气达到 催化剂，它们分裂成氢离子(质子)和电子(小黑斑)。如果您感到困惑：氢离子只是去除了电子的氢原子。由于它们只有一个质子和一个电子，氢离子与质子是一回事。

　　带正电的质子被吸引到负极端子(蓝色)并穿过电解质 (黄色)朝向它。电解质是由特殊聚合物(塑胶) 电影 只有质子才能通过它。

　　同时，电子流经外电路。

　　当他们这样做时，他们为电力 电动机 (橙色和黑色)驱动汽车车轮。最终，它们也到达负极端(蓝色)。

　　在负极端子处，质子和电子在产生水的化学反应中与空气中的氧气重新结合。

　　水以水蒸气或蒸汽的形式从排气管中排出。

　　这种类型的燃料电池称为 质子交换膜 (不同的人说这代表 聚合物交换膜 或 质子交换膜 因为它涉及聚合物膜上的质子交换)。它会保持 只要有氢气和氧气供应，就可以运行。由于空气中总是有大量的氧气，唯一的限制 因素是罐中有多少氢气。

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　　燃料电池堆

　　单个燃料电池产生的电力几乎与 单节干电池 — 远不足以为笔记本电脑供电 计算机, 更不用说汽车了。这就是为什么为车辆设计的燃料电池使用堆栈的原因 串联在一起的燃料电池。他们的总电量 产生等于细胞数乘以每个单元的功率 细胞产生。

　　燃料电池的类型

　　照片：这是燃料电池的实际外观。这是一种典型的质子交换膜(PEM)氢燃料电池，可以产生5千瓦(5000瓦)的功率。照片由Warren Gretz提供，由美国能源部/国家提供 可再生能源实验室。

　　质子交换膜燃料电池(有时称为 质子交换和聚一氟乙烯) 目前是 受到工程师青睐的车辆动力，但它们绝不是 只有设计才有可能。就像有许多种电池一样，每种电池 使用不同的化学反应，因此燃料的种类很多 细胞也是。航天器使用一种更原始的设计，称为 碱性 燃料电池 (AFC)，而更大的功率可能是 由称为 固体氧化物 燃料电池 (南方石油公司)。 微生物燃料电池 有一个额外的 功能：他们使用 消化糖、有机物或其他燃料的细菌罐 并产生电流(可用于为 电机)或氢气(可以以通常的方式为燃料电池提供动力)。 另一种可能性是拥有一辆带有 太阳能电池板 在屋顶上，利用太阳的电力将水分解成氢气和氧气 一 电解槽 (见下面的框)。然后这些气体在燃料电池中重新组合以产生电力。(这样做的好处，而不是使用太阳的 能源 直接，就是可以储存起来 氢气在白天太阳照耀时，然后用它来驱动 晚上的燃料电池。

　　所有的氢气从何而来?

　　在过去的150年左右，几乎每辆车都有 在 液 我们相当困惑地称呼气体。但在接下来的 150 年 年，许多人认为汽车将在 真正 气： 氢。从理论上讲，跑车 氢 是个好主意：这是最简单的 和最常见的化学元素，它占绝大多数 (大约四分之三)宇宙中整个物质。 那么，每个人都足够了!但有一个障碍：在空中戳来戳去 在你周围，你根本不会发现太多的氢——只有大约一个 每百万升空气中含有升氢气。(按数量计算， 这就像随机寻找大约两升水一样。 在每届奥运会上混在一起 游泳 游泳池已满)。那么，所有巨大的氢云从何而来，以运行我们的全球车队呢? 我们需要自己制作 水，覆盖地球表面70%的神奇物质，部分由氢制成。 分裂好老H2O 进入它的零件，你得到 H2 (氢)和O2 (氧气)。你是怎么做到的?用电解槽!

　　电解槽和电解

　　电解槽是一块 电化学 设备(某物 同时使用电力和化学)旨在 执行 电解：将解决方案拆分为 原子 它是通过电流通过它制成的。电解是 18世纪由英国化学家开创 汉弗莱·戴维爵士 (1778-1829)，他使用了一种称为 伏打桩 发现许多化学元素，包括钠和钾。

　　电解槽有点像反向工作的电池：

　　在电池中，您将化学品装在一个密封容器中，其中有两个 电气端子浸入其中。当您连接 端子进入电路，化学物质在内部发生反应 容器并产生流经电路的电力。 (在我们的主要文章中阅读更多关于此内容的信息 电池.)

　　在电解槽中，将溶液放入容器中并浸入两个 终端进入其中。您将端子连接到电池或其他 电源并通过解决方案传递电力。化学的 发生反应，溶液分裂成原子。如果 您使用的溶液是纯水(H2O)，你发现它很快就会分裂 转化为氢气(在负极)和氧气(在 正极)。收集和存储这些相对容易 未来使用的气体。

　　照片：展示氢能。光线(来自太阳)照射到太阳能电池(左侧的蓝色矩形)， 发电。电解槽利用这种电能将水分解成氧气和氢气 (收集在图片中间的试管中)。然后将氢气送入燃料电池(金属 右边的框)，用于发电 并点亮一盏灯(右)。Warren Gretz的照片由美国能源部/国家可再生能源实验室(DOE / NREL)提供。

　　电解槽如何工作?

　　这是一个非常简单的电解槽如何从水中制造氢气：

　　电池通过 电解质。在一个简单的实验室实验中，电解质可以是纯水。在真正的电解槽中，性能 通过使用固体聚合物膜作为电解质，允许离子通过它，可以显着改善。

　　当电源打开时，水(H2O—此处显示为两个红色斑点连接到一个绿色斑点)分裂成带正电荷的氢离子(氢原子缺少电子，以红色显示)和带负电荷的氧离子(具有额外电子的氧原子，以绿色显示)。

　　正氢离子被吸引到负极端子上并成对重新结合形成氢气 (H2).

　　同样，负氧离子被吸引到正极端子并在那里成对重新结合以形成氧气 (O2).

　　为什么燃料电池需要这么长时间才能流行起来?

　　照片：像这样的氢气灌装泵可能需要一段时间才能变得司空见惯。 图片由 美国宇航局格伦研究中心.

　　人们一直在预示燃料电池是下一个权力大事件 自 1960 年代以来的供应，当时阿波罗 空间 火箭 第一 证明该技术是实用的.四十年后， 我们的街道上几乎没有燃料电池汽车 - 用于各种 原因。首先，世界正准备通过以下方式生产汽油发动机 百万，所以它们自然更便宜，测试更好，而且更多 可靠。几千个就可以买一辆普通的车 美元/英镑，但直到最近，燃料电池汽车会让你倒退数百美元 数以千计。(丰田“相对实惠”的Mirai终于在2016年广泛使用。 成本不到60，000美元，是其混合动力普锐斯价格的两倍。 这就是为什么一些燃料电池汽车只能租赁的部分原因。 安排。在我更新这篇文章的时候，到 2021 年，一辆本田 Clarity 燃料电池汽车可以以每月相对适中的 379 美元的价格租用。 成本并不是唯一的问题。那里'也是一个巨大的 支持汽油发动机的石油经济：有车库 所有可以为汽油动力汽车和加油站提供服务的地方 到处供应燃料。相比之下，几乎没有人 对燃料电池汽车一无所知，几乎没有加油 供应加压氢气的站。“氢经济”是一个遥远的梦想。

　　很容易看出一个充满氢动力汽车的世界是如何运作的。 我们会有很多电解槽工厂到处制造 来自水的氢气。现在气体占用了大量气体 空间比液体或固体，所以我们需要转动氢气 气体转化为液氢，使其更易于运输和储存， 通过将其压缩到高压。然后我们将氢气运送到加油站(“加氢站”? 人们可以把它泵入他们的汽车，这些汽车将由燃料电池而不是传统的汽油发动机提供动力。

　　照片：燃料电池不仅适用于汽车。这台拖拉机是动力的 由一个。摄影：Keith Wipke 提供 美国能源部/国家可再生能源实验室 (DOE/NREL) (NREL照片ID#33995)。

　　氢气的麻烦

　　但是你看到问题了吗?电解制氢 使用 能源——而且相当多：我们必须用电来分解水。 如果我们使用典型 太阳能电池 为了提供电力，它们的效率可能约为10%， 而电解槽的效率可能为75%，但总体效率仅为 7.5%。这是一个相当糟糕的开始 - 这是一个 只 开始!

　　我们还使用能量运输氢气并对其进行压缩(将氢气转化为液体)，因此汽车可以在油箱中携带足够的氢气去任何地方。这是一个真正的问题，因为能量密度 氢(它每单位体积或质量所承载的能量)是 只有汽油的五分之一左右。换句话说，你需要五倍以上才能走得更远 (假设你的氢燃料汽车和汽油车一样重，但事实可能并非如此——因为汽油车需要重型发动机和变速箱)。另一个问题是氢气 很难长时间储存，因为它的极端 微小的分子很容易从大多数容器中泄漏出来——而且由于 氢气是易燃的，泄漏会导致可怕的爆炸。

　　然后，当然，在过程的另一端存在所有低效率，当燃料电池 汽车将氢气转化为电能，为驱动车轮的电动机提供动力。

　　氢不是燃料

　　氢本身不是燃料，而只是运输由其他过程制成的燃料的一种方式。 所以最好将其与电池(另一种包装和运输能量的方式)进行比较 比汽油(真正的燃料)。总而言之，今天的氢能汽车是 大大 效率低于最佳 电动车 使用电池，通常效率低于普通汽油或 柴油机 车辆!

　　目前，世界上用于为汽车加油的氢气相对较少， 几乎所有(约95%)都是由化石燃料以对环境不友好的方式制成的，因此很难将其描述为“绿色”。 根据 国际能源署：“自1975年以来，对氢的需求增长了三倍多，并继续上升 - 几乎完全由化石燃料供应，全球6%的天然气和全球2%的煤炭用于制氢。 有很多正在进行的研究来改变这种状况——而且有 多种方式 从水中制造氢气. 例如，我们可以使用 太阳能电池 “免费”电解水，但我们可以很容易地将相同的能量存储在电池中，并用它们为我们的汽车供电。燃料电池汽车听起来很有希望，但如果电池汽车真的更好，氢可能会成为一种昂贵的分散注意力的重要业务，将世界从化石燃料转向 可再生能源.

　　所有这些问题，总而言之，解释了为什么像特斯拉的埃隆·马斯克(Elon Musk)这样的电池汽车倡导者喜欢 嘲笑氢能汽车 作为“愚蠢的傻瓜车”，“令人难以置信的愚蠢”。

　　但氢气也有其优点!

　　那么，为什么人们还在追求燃料电池呢?因为他们的支持者声称，与其他电力技术相比，它们具有许多优势。电池供电的汽车充电可能需要半小时到一整晚的时间，而您可以在短短五分钟内为氢燃料汽车加油——就像为普通汽车的油箱加油一样快。电池驱动汽车的行驶里程也是一个争论点。目前的模型现在声称它们可以在两次充电之间行驶数百公里或数英里，但并非所有型号都能做到这一点;这取决于您在驾驶时将多少动力用于其他事情;随着电池老化，续航里程会受到影响。相比之下，燃料电池汽车的续航里程与普通汽油汽车大致相同，尽管它们的性能会随着年龄的增长而下降。电池技术可以说在小型汽车中效果最好， 燃料电池同样适用于大型车辆和卡车。 事实上，领先的燃料电池制造商之一巴拉德· 认为燃料电池将很快成为最可行的解决方案 对于卡车、公共汽车等重型车辆， 火车，甚至是原本由肮脏的化石燃料提供动力的飞机。 在加利福尼亚州，现在有 大力推动氢气更受欢迎.

　　除了石油，还有什么吗?

　　综上所述，在汽车制造商停止生产燃气和柴油发动机之前， 驾驶者将很少或根本没有动力转向燃料电池汽车。 即便如此，因为竞争对手的电池电动和混合动力技术 有了巨大的领先优势，燃料电池汽车可能永远不会流行起来。 我们大多数人暂时会坚持使用内燃机， 虽然 大型汽车制造商宣布电动汽车是未来 将迫使我们在未来十年的某个时候改变我们的方式 左右。我们会看到直接转向带有车载电池的电动汽车吗 你在家充电?或者也许通过混合动力汽车、运行汽油发动机进行更温和的过渡 和电动机，这将为我们延长足够长的世界石油供应 提出一项全新的技术——甚至可能 核动力 汽车! 没有人知道未来会怎样，但有一点是肯定的：石油 将在其中发挥更小的作用。我们越早拥抱 替代品——电池电动汽车、生物燃料、燃料电池或其他任何东西——更好。