現在，滿大街跑的新能源車，能源基本上都是鋰離子電池，可以說已經遍地開花了。但鋰子電池并非電能存儲的終點，沿著元素周期表往下找到鈉，可以降低成本，提高安全性，往上找到氫，就能提高能量密度。

鈉離子電池，原理和鋰離子差不多，只不過用儲量更豐富更便宜的鈉代替了鋰，甚至連生產線都不用換，只是能量密度會有所下降。

要能量密度高，就得用氫，氫比鈉還豐富，甚至是宇宙第一，別看有那么多數都數不過來的恒星，一秒不停的聚變了幾十億年，氫元素也只是被輕微地消耗了一點點，仍然占宇宙物質總量的絕對多數，在這方面，不可能有超過氫的元素了。

氫怎么用呢？

最高級的，當然是可控核聚變了，只是永遠還要五十年。

第二種，就是直接燒，就像內燃機燒汽油柴油一樣，化學能直接轉化為機械能，只不過用氫氣代替。

第三種，就是充當電池的原料，這就是氫燃料電池了。

說是電池，是因為它確實會產生電能，但另一方面，與其說它是電池，不如說是個發電機，當它沒電了，滿血復活的辦法并不是充電，而是加氫，這就跟鋰離子鈉離子電池不一樣了。

那么，氫燃料電池是怎么發出電來的呢？

簡單地說，就是水的電解反應的逆向過程。把水進行電解，可以得到氫氣和氧氣，但這個過程可不是把電極往水里一插，通上電就行的。因為純水的導電性很弱，所以還得給水加上電解質，比如硫酸或者氫氧化鉀，用來增強導電性。

以氫氧化鉀為例，給溶液通上電，陰極就聚集了電子，而溶液中的陽離子，既有水的氫離子，也有電解質的鉀離子，鉀比氫更活潑，更容易失去電子，反過來，得電子的能力，就是氫比鉀更強，所以陰極上的電子會優先與氫離子結合。

在陽極，就是吸引了帶負電的氫氧根，四個氫氧根放出四個電子，生成兩個水分子和一個氧分子，宏觀上看，就是一頭生成了氫氣，一頭生成了氧氣。

使用一下逆向思維，如果把這個過程倒過來，讓氫和氧結合成水，不就往外放電了嗎？

給陽極（燃料極）提供氫氣，給陰極（空氣極）提供氧氣，電解質中的帶正電的氫離子就會從陽極跑到陰極，同時電子也沿著外部回路從陽極移動到陰極，氫離子加電子加氧原子，在陰極結合，達成電中性，生成水。

氫的燃燒，相當于氫離子帶著電子直接沖向氧原子，能量直接以熱的形式釋放，而燃料電池是讓氫離子和電子走了兩條路，分進合擊，能量以電的形式釋放。這個過程，可以理解成“可控緩慢燃燒”，反正最后的結果也的確是“燒”成水了。

不過，以上只是原理，真正實現起來，還得靠一系列的具體技術去落實。

比如，常溫下氫氣氧氣是不會直接發生反應的，在空氣中燃燒，也得用火源來點一下子，在燃料電池里面，當然不能點明火，而是用鉑基催化劑來達成這個效果，通常使用高比表面積的碳，納米級別的鉑顆粒附著在上面，然后再均勻分散在電極上。此外，還需要有質子交換膜（電解質）、氣體擴散層、雙極板、密封件、端板和集流板這些構件。

氫燃料電池有哪些優點呢？

首先是能量的轉換效率高，因為沒有卡諾循環的限制，理論上可以達到90%，當然，實際上沒有這么高，但也有40%到60%，秒殺傳統熱機。第二是環保，反應產物只有水，沒有那些亂七八糟的化合物和粉塵，實現零排放。第三是沒有活動部件，噪音低，40KW的電站，如果使用氫燃料電池，五米外的噪聲大約是60分貝，就是幾個人說話的水平，更遠的地方，幾乎就是全靜音了。

這么先進，肯定是高新技術吧？

其實不然，燃料電池并非一個最近才出現的東西，它的歷史已經有180多年了。1838年，這時候還是大清的道光十八年，一位名叫克里斯蒂安·弗里德里希·舍恩拜因的德國化學家，首次提出了在鉑電極上，氫和氧發表反應能產生電流的設想。

第二年，英國科學家威廉·羅伯特·格羅夫，同時還是個律師，驗證了這個設想。他把封裝了鉑電極的玻璃管浸到稀硫酸里，用電解的方式得到了氫和氧，然后往玻璃管里放入兩條新的鉑片，把產生的氫和氧灌進去，再浸入稀硫酸，就產生了電流，有氧氣的那個玻璃管出現了水。這是世界上第一個公認的燃料電池，格羅夫也就成了“燃料電池之父”。

不過，當時格羅夫把他的發明叫做“氣體電池”（gas voltaic battery），燃料電池（fuel cell）這個詞是1889年由英國化學家路德維希·蒙德（Ludwig Mond）和卡爾·蘭格（Carl Langer）提出的，他們把格羅夫的電池做了改進，基本奠定了現代燃料電池的結構。

在接下的三十年里，陸續有科學家用不同的物質充當或代替電解質，開發出了堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池等等，細節有不同，原理都是一樣的。

但這些創新都處在實驗室階段，直到1932年，英國劍橋大學三一學院的工程師弗朗西斯·托馬斯·培根，開始嘗試使用成本較低的鎳作為電極，氫氧化鉀為電解質，通過提高溫度和壓力的方式，來提高鎳的催化活性，實際上是一種堿性燃料電池。

27年后的1959年，他終于搞出了第一個能投入實際使用，效率為60%的5kW燃料電池，能充當電焊機的電源，或者驅動2噸級的叉車。培根的專利后來被轉讓給美國，又經過了一系列改進后，被阿波羅計劃所采用，成為登月飛船的主力電源，順便還可以產生一些水，供宇航員使用。

看到這里，大家可能想，燃料電池發展時間這么久，半個世紀前的登月飛船就用上了，按理說早就應該遍地開花了才對啊，可是為什么我們身邊的新能源車，大多還是使用續航短，充電慢的傳統電池呢？

因為燃料電池除了前面說的優點，也有不少問題。

就拿應用相對廣泛的質子交換膜燃料電池來說，這是美國通用電氣在60年代中期的一項發明，質子交換膜也叫高分子電解質膜，是一種離子聚合物半透膜，一般由全氟化聚合物材料合成，作用是隔絕氫氣和氧氣，只讓質子穿過。這個膜，加上鉑金催化劑，都是貴重材料。鉑金的年產量遠遠少于黃金，而且提煉更加困難，價格在195-252元/克之間。

質子交換膜也不便宜，20厘米見方的一塊，目前的價格大約是1000元，一輛氫燃料電池的汽車，至少需要20平方米，可以算算要多少錢，都夠買一輛車了。

貴就不說了，它們還十分嬌氣，一旦接觸到硫和一氧化碳，或者其它的什么雜質，很容易“中毒”，起不到催化和傳導的作用了，所以對于氫氧的純度要求極高，要達到99.99%以上才行，這又大大提高了制備氫氧的成本。如果純度不達標，電池就會非常短命，非用不可，就得經常換件，本來就貴，還老換，這誰受得了。

正是由于這些原因，原本用于阿波羅計劃的質子交換膜電池被放棄，改成了前面培根那種堿性燃料電池。那你可能要說了，那就用這種堿性的啊，這不飛船上都用了嗎？

但是這個也有問題，鎳的催化效率低，要配上高溫和高壓才能用，要降低運行溫度，還是得用鉑金。另外，堿性電解質也會因為二氧化碳而中毒，配上去除雜質的一套裝置，成本又上來了。堿性電解質的強腐蝕性還會導致壽命縮短，美國航天飛機上用的堿性燃料電池，最早的壽命僅有2600小時，想盡辦法改進，最多5000小時，208天，用在航天上，本來就不怎么計較成本，又是一次性，壽命短點可以接受，但用在車上，就很難接受了。

另外，雖然燃料電池在原理上比熱機簡單，但真用起來，還得有各種各樣的設備來“輔佐”才能玩得轉。除了上面說過的過濾裝置，還有燃料供應系統，氧化劑供應系統，熱管理系統等等，來保證氫氧供給平穩不斷線，沒用完的要回收，多余的熱量需要冷卻，太干燥了膜電極不能正常工作，所以需要增濕器來保持濕度——這一套弄下來，也不簡單。

除了燃料電池本身，作為燃料的氫更是個大問題。氫本身是個很好的能源，按能量密度排，氫以142兆焦每千克，遠遠領先于天然氣（55Mj/Kg）、汽油（46Mj/Kg）和煤（30Mj/Kg），鋰離子電池反而要排到最末了，一般不超過1.8兆焦每千克，所以，理論上可以做到充氫3分鐘，續航850（公里）。

但理論歸理論，實現起來卻是困難重重。

以單位質量論，氫的能量密度最高，但氫又是氣體，以體積論，一罐氫氣可就遠遠不如一罐汽油了。要發揮能量密度高的優勢，要么把氫進行壓縮，要么進行液化，要么用有機液態或者固態儲存。

氫的液化溫度非常低，標準大氣壓下只有20.268K，也就是零下252.8度，不僅高耗能，還要求材料能耐超低溫，能保超低溫，非常地不經濟，只能用在一些不計成本的場景下，比如發射火箭。

用高壓壓縮，對溫度沒要求，但氫密度極小，能輕易地從金屬壁的分子縫隙中逃逸，或者與容器材料發生反應，導致強度下降，開裂，所以普通的金屬瓶只能儲存20兆帕以下的氫氣，壓力再高，就得加上聚合物襯里和復合材料，價格也很昂貴。

直接存不行，還有兩個辦法，一個是固態儲存，分為物理吸附和氫化物兩種方式。吸附好理解，就像活性碳過濾一樣，用碳納米管，或者金屬有機框架物，這些具有微小孔隙的材料，把氫分子“網”住，讓它們不能亂跑。

氫化物儲存，利用了氫是最小的原子這個特點，一個質子一個電子，幾乎可以進入任何金屬的內部。具體來講，就是氫氣先在金屬表面被催化分解為氫原子，然后擴散到材料晶格內部的空隙，在金屬結晶點內被困住，這就形成了金屬氫化物。這個過程是可逆的，一加熱，氫氣又可以跑出去。

第二個辦法是有機液態存儲，通過可逆的加氫反應，形成有機分子，把氫固定起來，比如甲苯加氫，變成環己烷，保存起來就容易多了，但脫氫技術目前還很復雜，而且能耗高。還有一招，干脆直接保存富含氫的物質，運到地方再制氫，比如液氨，既容易存也容易運輸，但缺點是，氨本身有毒，轉化為氫的效率很低。

總之，這些手段，說來說去，就是一個字，貴。要投入實際運用，現在還只能在一些對成本不那么計較的領域，比如航天或者軍事。

除了前面說的飛船，蘇聯的613E型潛艇也嘗試了燃料電池，由于當時的技術還比較糙，體積做不小，看照片，就像扛了四個碩大的煤氣罐，這樣的外形肯定是不行的，后來也沒有進一步發展。

到了21世紀，德國開發了212型常規潛艇，它的動力除了柴油機，還有質子交換膜氫燃料電池，它用的氫，就是通過金屬氫化物這種固態方式來儲存的，可以在潛伏三個星期，最大水下航速能達到20節。效果還可以，就是有點貴，5.6億歐元的造價，差不多是俄羅斯基洛級的兩倍了。

除了儲存，氫還有制備和運輸的問題。

獲得氫氣，一般有這么幾個途徑，一是工業反應的副產物，比如乙烷裂解或焦爐氣制氫，優點是成本低，不需要額外投入，缺點是受區域限制大（鋼廠往往很集中）。

二是利用化石燃料，比如煤，天然氣，石油，和水蒸氣發生反應，得到氫和一氧化碳，優點是工藝簡單，成本低，缺點是要消耗不可再生能源，不環保。這兩種方式產生的氫氣，也叫“灰氫”，把“灰氫”進行提純，去掉大部分雜質，就變成了“藍氫”。

最后一種，就是電解水或者利用生物制氫，成本最高，但質量最好最純凈，被稱為“綠氫”。用來電解水的電，最好是太陽能、風能這樣的清潔能源，把這些要么不太穩定，要么不容易并網的電，用制氫的方式存起來，一舉兩得。

全世界的氫年產量接近一億噸，我國是世界上最大的制氫國，年產量約3700萬噸，大約是美國和歐洲的三倍。別看數量巨大，多數屬于灰氫，考慮到提純、儲存、運輸的成本，很多時候只能直接燒掉，因為這樣反而省錢省事。

要把氫用起來，就得解決儲存和運輸，這其實是一個問題，存不了當然也就運不了嘛，所以氫的運輸跟運汽油、運天然氣差不多，都是用車拉著容器跑，比如工業鋼瓶、集裝格和長管，如果距離超過300公里，最好是用管道運輸。

氫氣管網其實也不是新鮮東西，70年前就有了，歐美在這方面起步比較早，根據2016年的統計，全世界大約有4500公里的氫氣管道，其中美國2600公里，差不多占了一半，中國只有大約100公里，但中國的加氫站有310座，是世界第一。

講到這兒，你可能會想起一個經常聽到的說法——氫能源是日本點歪的科技樹，中美大力發展鋰電池車，目的就是把日本的氫能源給干死，不讓日本割韭菜。

其實，這是個錯誤的印象，日本在卯足勁開發不假，但中國和美國，不僅從來沒有放棄過氫能源，而且支持力度也不小，要不美國的管道第一，中國的加氫站第一是怎么來的？更別說中美還是世界第一大和第二大的氫消費國。

美國早在七十年代的石油危機時，就開始進行氫能源的技術布局了，1996年出臺了《氫能前景法案》，后來又陸續出臺了《國家氫能發展路線圖》、《氫立場計劃》、《全面能源戰略》等政策，一直都在大力助推氫能源開發。

中國在2006的《國家中長期科學技術發展規劃綱要（2006-2020年）》當中，就提出了要發展氫的制取、儲存和輸配技術。2016年，又發布了《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》、《中國制造2025——能源裝備實施方案》等文件，氫能產業被上升到了國家戰略高度，十四五計劃也將氫能列為前瞻性未來產業。

除了國家這一級，各地方還有不少相關政策，比如有《北京市氫能產業發展實施方案（2021-2025年）》，《深圳市氫能產業發展規劃(2021-2025年)》等等，給予各種扶持和補貼。

除了中美日，在全球范圍內，共有42個國家和地區，像什么巴西、智利，甚至非洲的埃及、納米比亞，都宣布了氫能政策。去年北京冬奧會期間，不知道大家注意了沒有，有一千多輛氫能源車和三十多個加氫站投入使用。

不過啊，直到目前，使用氫燃料電池的汽車，特別是轎車，還是非常少，多數是試驗和示范性質，生活中幾乎看不到。

世界上第一輛使用燃料電池的汽車在1966年就出現了，通用汽車的雪佛蘭Electrovan，但到了現在，只有兩種型號的燃料電池轎車在銷售，豐田未來（Mirai）和現代Nexo。

在日本國內，豐田未來有補貼，價格約合人民幣36萬，去年國內進口了幾十輛，售價就飆到了75萬，這么貴，九年間在全球只賣出了2萬1千多輛，相比其它類型的汽車，這點銷量簡直就像鬧著玩。

最直接原因，就是燃料太貴。在同等條件下跑同樣里程，豐田未來的燃料成本差不多是特斯拉model 3的八倍！就是相比普通燃油車，大約也在1.5倍左右，確實不劃算。所以，要么是示范，要么是富人的嘗鮮大玩具，推廣不開。

不過，交通工具并不止轎車，還有貨車、公交、鐵路、船舶、飛機，相比之下，鐵路反而有可能是燃料電池最有可能率先取得突破的領域。為什么呢？因為它個頭大，線路固定，加氫容易，對儲氫條件的容忍度就比較高，還不用依賴外部供電。就像電磁炮現在也沒真正搞出來，但同樣的原理，用在航母上彈射灰機，卻能夠實現一樣。

2015年，中國南車四方公司在青島研發出了世界第一輛氫燃料電池有軌電車，2019年12月30日，在佛山高明投入商業運營，15分鐘加滿，能跑100公里，載客350人，最高時速70公里。

2016年，阿爾斯通推出了世界上第一款量產的氫燃料電池列車組，叫Coradia iLint，速度可達140公里每小時，能跑800公里，2018年在德國的下薩克森州投入運營，正在逐步取代柴油機列車。

除了列車，我們最有可能接觸到的氫能交通工具就是公交車了，在北京（延慶）、鄭州、常熟、濰坊、張家港、張家口、六盤水等城市，你就有可能坐上宇通研發的氫能公交車，張家港在2018年就開始使用氫能公交車了，單車最大行駛距離超過了21萬公里，百公里耗氫大約5公斤。

從歷史上看，中國在氫能源這個領域里面，是個后來者，你看人家在起步和發展的時候，咱們不是在變法，就是在革命，真正入局也就是近二三十年的事。但咱們一旦開干，速度那是很快的，拿來主義加苦干，現在已經形成了比較完備的產業鏈，規模以上工業企業超過 300 家，集中分布在長三角、粵港澳大灣區、京津冀等區域。

比如，搞氫氣制備和加氫站的，有上海舜華、氫楓能源，搞氫燃料電池的，有億華通、明天氫能、武漢氫雄等等，搞氫能車的，除了前面講的宇通，還有東風特汽、中通客車、西安新青年等等，注意這個中通和快遞那個中通沒關系，是兩家企業。

鏈條最后一環，是車輛的運營和租賃，搞這方面的有上海驛動、國聯氫能、氫車熟路，這個名字倒是挺可愛的。

為什么要單獨提這個運營和租賃呢？因為氫能源車目前的成本還是居高不下，真正的用車需求，更多的是以租賃的形式出現，而不是購買，所以氫能源的“租車行”還是挺重要的。

其實呢，除了火車汽車公交車，船舶、飛機，甚至摩托車和自行車（助力），現在都有氫能的型號在開發。但目前，除了列車能產生實際效用外，其它要么是試驗品，要么需要大量補貼，在大面上看，的確不如遍地開花的純電動車。

那為什么大家還要在氫燃料電池這條看起來很難取得突破，像是走歪了的路上苦苦堅持呢？純電動車能迅速推廣，是因為技術相對成熟，基礎設施有保證，畢竟電網是現成的，不用新建。

但物理規律決定了它的上限比較低，而氫能則正相反，基礎設施要新搞，技術不成熟，成本高，但上限也很高，高得多，就這么一個誘惑就足夠巨大，誰能率先取得突破，誰就將擁有無以倫比的代差優勢，突破內卷。

所以，世界各大國都沒有放棄對開發氫能源的支持，對于個人發展來講，這個領域可能也是一片帶點風險的藍海，夢想還是要有的，萬一成功了呢？