燃料电池的原理

　　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，降低成本，提高安全性；而要提高能量密度，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，可以得到氢气和氧气，但这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。这个过程，可以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，真正实现起来，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？最大的好处就是能量密度高，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能量密度超过当前的电池类型，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，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能量密度更高的东西，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，如果使用氢燃料电池，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，未来的发展方向我觉得就两种：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，实际上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，大多还是使用续航短，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，这又大大提高了制备氢氧的成本。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缩短，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，寿命短点可以接受，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，太干燥了膜电极不能正常工作，所以需要增湿器来保持湿度，反正，这一套弄下来，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，按能量密度排，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，理论上可以做到充氢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，氢的能量密度最高，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。要发挥能量密度高的优势，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，几乎可以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，就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生能源，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。