很多人都想听潜艇 ，其实潜艇都是电动的，潜艇技术发展，很多程度上就是取决于电机和电池。人类在电驱动方面的最新成果，一定是先用在潜艇上的，比如我上次讲的锂离子电池，日本最新常规潜艇就是锂电动力。不过，虽然锂离子电池已经遍地开花，但并非电能存储的终点，继续改进，就得沿着元素周期表，往下找到钠，减少相关成本，提高安全性；而要提高单位体积内的包含的能量，就得往上找到氢，占宇宙物质总量的92%，储量方面不可能有超过氢的元素了。
那氢怎么用呢？最高级的，当然是可控核聚变了，只是永远还要五十年。第二种，就是直接烧，就像内燃机烧汽油柴油一样，化学能直接转化为机械能，只不过用氢气代替。第三种，就是充当电池的原料，这就是氢燃料电池了，也是我认为的常规潜艇的未来。
说是电池，是因为它确实会产生电能，但另一方面，与其说它是电池，不如说是个发电机，当它没电了，满血复活的办法并不是充电，而是加氢，这就跟锂离子钠离子电池不一样了。
那么，氢燃料电池是怎么发出电来的呢？简单地说，就是水的电解反应的逆向过程。把水进行电解，能够获得氢气和氧气，但这样的一个过程可不是把电极往水里一插，通上电就行的。因为纯水的导电性很弱，所以还得给水加上电解质，比如硫酸或者氢氧化钾，用来增强导电性。以氢氧化钾为例，给溶液通上电，阴极（正极）就聚集了电子，而溶液中的阳离子，既有水的氢离子，也有电解质的钾离子，钾比氢更活泼，更容易失去电子，反过来，得电子的能力，就是氢比钾更强，所以阴极上的电子会优先与氢离子结合。在阳极，就是吸引了带负电的氢氧根，四个氢氧根放出四个电子，生成两个水分子和一个氧分子，宏观上看，就是一头生成了氢气，一头生成了氧气。
如果把这样的一个过程倒过来，让氢和氧结合成水，不就往外放电了吗？给阳极（燃料极）提供氢气，给阴极（空气极）提供氧气，电解质中的带正电的氢离子就会从阳极跑到阴极，同时电子也沿着外部回路从阳极移动到阴极，氢离子加电子加氧原子，在阴极结合，达成电中性，生成水。氢的燃烧，相当于氢离子带着电子直接冲向氧原子，能量直接以热的形式释放，而燃料电池是让氢离子和电子走了两条路，分进合击，能量以电的形式释放。这样的一个过程，能够理解成咱们上集讲过的“可控缓慢燃烧”，反正最后的结果也的确是“烧”成水了。
不过，以上只是原理，真正的完成起来，还得靠一系列的具体技术去落实。比如，我们都知道，常温下氢气氧气是不会直接发生反应的，在空气中燃烧，也得用火源来点一下子，在燃料电池里面，当然不能点明火，而是用铂基催化剂来达成这个效果，通常使用高比表面积的碳，纳米级别的铂颗粒附着在上面，然后再均匀分散在电极上。此外，还需要有质子交换膜（电解质）、气体扩散层、双极板、密封件、端板和集流板这些构件。
氢燃料电池有哪些优点呢？最大的优点是单位体积内的包含的能量高，有三层楼这么高！我在锂离子电池那集就说过：化学电池和汽油、柴油这些化石燃料一样，在化学层面都是氧化还原反应，所以电池放电是一种“缓慢可控的燃烧”。但正是要实现“可控”，所以化学电池，携带的氧化剂和还原剂的质量比例稀释的非常低。而内燃机用的化石燃料是直接从空气中获取氧化剂，是不可控的爆炸。所以如果人类要发明出一种单位体积内的包含的能量超过当前爆炸物的电池类型，那么首先，人类应该发明出一种基于这种类型电池的超高能爆炸物，而且更加廉价。因为相同的技术，你不可能制造出一种，有序反应比无序反应单位体积内的包含的能量更高的东西，化学电池的能量密度永远都不可能超过化石燃料，这就是基本的技术逻辑。
而且和内燃机一样，也是从大气中获得氧化剂，它本质上就是个发电机，直接产生电流，能量转换效率碾压热机，所以将来真正可能取代内燃机的其实是氢燃料电池。
而且这玩意还环保，反应产物只有水，没有那些乱七八糟的化合物和粉尘，实现零排放。第三是没有活动部件，噪音低，40KW的电站，若使用氢燃料电池，五米外的噪声大约是60分贝，就是几个人说话的水平，更远的地方，几乎就是全静音了。所以如果单从技术演进来看，人类使用电力驱动，要求最高的领域——潜艇动力，未来的发展趋势我觉得就两种：氢燃料电池加综合电力、无轴泵喷推进的常规潜艇，另一种是核动力加综合电力。
那这么先进，肯定是高新技术吧？如果你这么想，那就不对了，燃料电池并不是一个最近才出现的东西，它的历史已经有180多年了。1838年，这时候还是大清的道光十八年，一位名叫克里斯蒂安·弗里德里希·舍恩拜因Christian Friedrich Schönbein
的德国化学家，首次提出了在铂电极上，氢和氧发生反应能产生电流的设想，第二年，英国科学家威廉·罗伯特·格罗夫，他同时也是个律师，验证了这个设想。他把封装了铂电极的玻璃管浸到稀硫酸里，用电解的方式得到了氢和氧，然后往玻璃管里放入两条新的铂片，把产生的氢和氧灌进去，再浸入稀硫酸，就产生了电流，有氧气的那个玻璃管出现了水。这是世界上第一个公认的燃料电池，格罗夫也就成了“燃料电池之父”。
不过，当时格罗夫把他的发明叫做“气体电池”（gas voltaic battery），燃料电池（fuel cell）这个词是1889年由英国化学家路德维希·蒙德（Ludwig Mond）和卡尔·兰格（Carl Langer）提出的，他们把格罗夫的电池做了改进，基本奠定了现代燃料电池的结构。在接下的三十年里，陆续有科学家用不同的物质充当或代替电解质，开发出了碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池等等，细节有不同，原理都是一样的。
但这些创新都处在实验室阶段，直到1932年，英国剑桥大学三一学院的工程师弗朗西斯·托马斯·培根，开始尝试使用成本较低的镍作为电极，氢氧化钾为电解质，通过提高温度和压力的方式，来提高镍的催化活性，其实就是一种碱性燃料电池。27年后的1959年，他终于搞出了第一个能投入实际使用，效率为60%的5kW燃料电池，能充当电焊机的电源，或者驱动2吨级的叉车。培根的专利后来被转让给美国，又经过了一系列改进后，被阿波罗计划所采用，成为登月飞船的主力电源，顺便还可以产生一些水，供宇航员使用。
诶，你看这燃料电池发展时间这么久，半个世纪前的登月飞船就用上了，按理说早就应该遍地开花了才对，可是为什么我们身边的新能源车，大多还是用续航短，充电慢的传统电池呢？因为燃料电池除了前面说的优点，也有不少问题。
就拿应用相对广泛的质子交换膜燃料电池来说，这是美国通用电气在60年代中期的一项发明，质子交换膜也叫高分子电解质膜，是一种离子聚合物半透膜，一般由全氟化聚合物材料合成，作用是隔绝氢气和氧气，只让质子穿过。这个膜，加上铂金催化剂，都是贵重材料。铂金的年产量远远少于黄金，而且提炼更加困难，价格在195-252元/克之间。质子交换膜也不便宜，20厘米见方的一块，目前的价格大约是1000元，一辆氢燃料电池的汽车，至少需要20平方米，可以算算要多少钱，都够买一辆车了。
贵就不说了，它们还十分娇气，一旦接触到硫和一氧化碳，或者其它的什么杂质，很容易“中毒”，起不到催化和传导的作用了，所以对于氢氧的纯度要求极高，要达到99.99%以上才行，这又大幅度的提升了制备氢氧的成本。如果纯度不达标，电池就会非常短命，非用不可，就得经常换件，本来就贵，还老换，这谁受得了。
正是由于这些原因，原本用于阿波罗计划的质子交换膜电池被放弃，改成了前面培根的那种碱性燃料电池。那你可能要说了，那就用这种碱性的啊，这不飞船上都用了吗？但是这个也有问题，镍的催化效率低，要配上高温和高压才能用，要降低运行温度，还是得用铂金。另外，碱性电解质也会因为二氧化碳而中毒，配上去除杂质的一套装置，成本又上来了。碱性电解质的强腐蚀性还会导致寿命减少，美国航天飞机上用的碱性燃料电池，最早的寿命仅有2600小时，想尽办法改进，最多5000小时，208天，用在航天上，本来就不怎么计较成本，又是一次性，寿命短点可接受，但用在车上，就很难接受了。
另外，虽然燃料电池在原理上比热机简单，但真用起来，还得有各种各样的设备来“辅佐”才能玩得转。除了上面说过的过滤装置，还有燃料供应系统，氧化剂供应系统，热管理系统等等，来保证氢氧供给平稳不断线，没用完的要回收，多余的热量需要冷却，太干燥了膜电极异常工作，所以要增湿器来保持湿度，反正，这一下来，也不简单。
除了燃料电池本身，作为燃料的氢更是个大问题。氢本身是个很好的能源，按单位体积内的包含的能量排，氢以142兆焦每千克，远远领先于天然气（55Mj/Kg）、汽油（46Mj/Kg）和煤（30Mj/Kg），锂离子电池反而要排到最末了，一般不超过1.8兆焦每千克，所以，理论上能做到充氢3分钟，续航850（公里）。
但理论归理论，实现起来却是困难重重。以单位质量论，氢的单位体积内的包含的能量最高，但氢又是气体，以体积论，一罐氢气可就远远不如一罐汽油了。要发挥单位体积内的包含的能量高的优势，要么把氢进行压缩，要么进行液化，要么用有机液态或者固态储存。氢的液化温度非常低，标准大气压下只有20.268开，也就是零下252.8度，不仅高耗能，还要求材料能耐超低温，能保超低温，非常地不经济，只能用在一些不计成本的场景下，比如发射火箭。
用高压压缩，对温度没要求，但氢密度极小，能轻易地从金属壁的分子缝隙中逃逸，或者与容器材料发生反应，导致强度下降，开裂，所以普通的金属瓶只能储存20兆帕以下的氢气，压力再高，就得加上聚合物衬里和复合材料，价格也很昂贵。
直接存不行，还有两个办法，一个是固态储存，分为物理吸附和氢化物两种方式。吸附好理解，就像活性碳过滤一样，用碳纳米管，或者金属有机框架物，这些具有微小孔隙的材料，把氢分子“网”住，让它们不能乱跑。氢化物储存，利用了氢是最小的原子这个特点，一个质子一个电子，几乎能进入任何金属的内部，具体来讲，就是氢气先在金属表面被催化分解为氢原子，然后扩散到材料晶格内部的空隙，在金属结晶点内被困住，这就形成了金属氢化物。这样的一个过程是可逆的，一加热，氢气又可以跑出去。
第二个办法是有机液态存储，通过可逆的加氢反应，形成有机分子，把氢固定起来，比如甲苯加氢，变成环己烷，保存起来就容易多了，但脱氢技术目前还很复杂，而且能耗高。还有一招，干脆直接保存富含氢的物质，运到地方再制氢，比如液氨，既容易存也容易运输，但缺点是，氨本身有毒，转化为氢的效率很低。
总之，这些手段，说来说去，就是一个字，贵。要投入实际运用，现在还只能在一些对成本不那么计较的领域，比如航天或者军事。除了前面说的飞船，70年代末，苏联的613E型潜艇就尝试了燃料电池，由于当时的技术还比较糙，体积做不小，看照片，就像扛了四个硕大的煤气罐，这样的外形肯定是不行的，后来也没有进一步发展。
到了21世纪，德国开发了212型常规潜艇，它的动力除了柴油机，还有质子交换膜氢燃料电池，它用的氢，是通过金属氢化物这种固态方式来储存的，可以在潜伏三个星期，最大水下航速能达到20节。效果还可以，就是有点贵，5.6亿欧元的造价，差不多是俄罗斯基洛级的两倍了。
除了储存，氢还有制备和运输的问题。获得氢气，一般有这么几个途径，一是工业反应的副产物，比如乙烷裂解或焦炉气制氢，优点是成本低，不需要额外投入，缺点是受区域限制大（钢厂往往很集中）。二是利用化石燃料，比如煤，天然气，石油，和水蒸气发生反应，得到氢和一氧化碳，优点是工艺简单，成本低，缺点是要消耗不可再次生产的能源，不环保。这两种方式产生的氢气，也叫“灰氢”，把“灰氢”进行提纯，去掉大部分杂质，就变成了“蓝氢”。最后一种，就是电解水或者利用生物制氢，成本最高，但质量最好最纯净，被称为“绿氢”。用来电解水的电，最好是太阳能、风能这样的清洁能源，把这些要么不太稳定，要么不容易并网的电，用制氢的方式存起来，一举两得。
全世界的氢年产量接近一亿吨，我国是世界上最大的制氢国，年产量约3700万吨，大约是美国和欧洲的三倍。别看数量巨大，多数属于灰氢，考虑到提纯、储存、运输的成本，很多时候只能直接烧掉，因为这样反而省钱省事。要把氢用起来，就得解决储存和运输，这其实是一个问题，存不了当然也就运不了嘛，所以，氢的运输跟运汽油、运天然气差不多，都是用车拉着容器跑，比如工业钢瓶、集装格和长管，如果距离超过300公里，最好是用管道运输。氢气管网其实也不是新鲜东西，70年前就有了，欧美在这方面起步比较早，根据2016年的统计，全世界大约有4500公里的氢气管道，其中美国2600公里，差不多占了一半，中国只有大约100公里，但中国的加氢站有310座，是世界第一。
讲到这儿，你可能会想起一个经常听到的说法——氢能源是日本点歪的科技树，中美全力发展锂电池车，目的是把日本的氢能源给，不让日本割韭菜。其实，这是个错误的印象，日本在卯足劲开发不假，但中国和美国，不仅从来就没放弃过氢能源，而且支持力度也不小，要不美国的管道第一，中国的加氢站第一是怎么来的？更别说中美还是世界第一大和第二大的氢消费国。
美国早在七十年代的石油危机时，就开始进行氢能源的技术布局了，1996年出台了《氢能前景法案》，后来又陆续出台了《国家氢能发展路线图》、《氢立场计划》、《全面能源战略》等政策，一直都在大力助推氢能源开发。中国在2006的《国家中长期科学技术发展规划纲要（2006-2020年）》当中，就提出了要发展氢的制取、储存和输配技术。2016年，又发布了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》、《中国制造2025——能源装备实施方案》等文件，氢能产业被上升到了国家战略高度，十四五计划也将氢能列为前瞻性未来产业，除了国家这一级，各地方还有不少相关政策，比如有《北京市氢能产业发展实施方案（2021-2025年）》，《深圳市氢能产业发展规划(2021-2025年)》等等，给予各种扶持和补贴。除了中美日，在全球范围内，共有42个国家和地区，像什么巴西、智利，甚至非洲的埃及、，都宣布了氢能政策。去年北京冬奥会期间，不知道大家注意了没有，有一千多辆氢能源车和三十多个加氢站投入使用。
不过啊，直到目前，使用氢燃料电池的汽车，特别是轿车，还是非常少，多数是试验和示范性质，生活中几乎看不到。世界上第一辆使用燃料电池的汽车在1966年就出现了，通用汽车的雪佛兰Electrovan，但到了现在，只有两种型号的燃料电池轿车在销售，丰田未来（Mirai）和现代Nexo。在日本国内，丰田未来有补贴，价格约合人民币36万，去年国内进口了几十辆，售价就飙到了75万，这么贵，九年间在全球只卖出了2万1千多辆，相比其它类型的汽车，这点销量简直就像闹着玩。
最直接原因，就是燃料太贵。在同等条件下跑同样里程，丰田未来的燃料成本差不多是特斯拉model 3的八倍！就是相比普通燃油车，大约也在1.5倍左右，确实不划算，所以，要么是示范，要么是富人的尝鲜大玩具，推广不开。
不过，交通工具并不止轿车，还有货车、公交、铁路、船舶、飞机，相比之下，铁路反而有可能是燃料电池最有可能率先取得突破的领域。为什么呢？因为它个头大，线路固定，加氢容易，对储氢条件的容忍度就比较高，还不用依赖外部供电。就像电磁炮现在也没真正搞出来，但同样的原理，用在航母上弹射灰机，却能够实现一样。
2015年，中国南车四方公司在青岛研发出了世界第一辆氢燃料电池有轨电车，2019年12月30日，在佛山高明投入商业运营，15分钟加满，能跑100公里，载客350人，最高时速70公里。
2016年，阿尔斯通推出了世界上第一款量产的氢燃料电池列车组，叫Coradia iLint，车顶上的长条就是电池和储氢罐，速度可达140公里每小时，能跑800公里，2018年在德国的下萨克森州投入运营，正在逐步取代柴油机列车。
除了列车，我们最有可能接触到的氢能交通工具就是公交车了，在北京（延庆）、郑州、常熟、潍坊、张家港、张家口、六盘水等城市，你就有可能坐上宇通研发的氢能公交车，张家港在2018年就开始使用氢能公交车了，单车最大行驶距离超过了21万公里，百公里耗氢大约5公斤。
从历史上看，中国在氢能源这个领域里面，是个后来者，你看人家在起步和发展的时候，咱们不是在变法，就是在革命，真正入局也就是近二三十年的事。但咱们一旦开干，速度那是很快的，拿来主义加苦干，现在已经形成了比较完备的产业链，规模以上工业企业超过 300 家，集中分布在长三角、粤港澳大湾区、京津冀等区域。
比如，搞氢气制备和加氢站的，有上海舜华、氢枫能源，搞氢燃料电池的，有亿华通、明天氢能、武汉氢雄等等，搞氢能车的，除了前面讲的宇通，还有东风特汽、中通客车、西安新青年等等，注意这个中通和快递那个中通没关系啊，是两家企业，链条最后一环，是车辆的运营和租赁，搞这方面的有上海驿动、国联氢能、氢车熟路，这个名字倒是挺可爱的。为什么要单独提这个运营和租赁呢？因为氢能源车目前的成本还是居高不下，真正的用车需求，更多的是以租赁的形式出现，而不是购买，所以氢能源的“租车行”还是挺重要的。
其实呢，除了火车汽车公交车，船舶、飞机，甚至摩托车和自行车（助力），现在都有氢能的型号在开发。但目前，除了列车能产生实际效用外，其它要么是试验品，要么需要大量补贴，在大面上看，的确不如遍地开花的纯电动车。
那为什么大家还要在氢燃料电池这条看起来很难取得突破，像是走歪了的路上苦苦坚持呢？纯电动车能迅速推广，是因为技术相对成熟，基础设施有保证，毕竟电网是现成的，不用新建，但物理规律决定了它的上限比较低，而氢能则正相反，基础设施要新搞，技术不成熟，成本高，但上限也很高，高得多，就这么一个诱惑就足够巨大，谁能率先取得突破，谁就将拥有无以伦比的代差优势，突破内卷。所以，世界各大国都没放弃对开发氢能源的支持，对于个人发展来讲，这个领域可能也是一片带点风险的蓝海，梦想还是要有的，万一成功了呢？返回搜狐，查看更多
