当我还想偷电动车养你的时候，氢能源车已经上路了… | 有趣的制造
最近挺火的「跑后只有水」的氢能源车上路了，让我想起了说好要写的「电池制作」...当我还在想什么时候才有钱买电动车的时候，氢能源车都已经在跨省飞奔了...今天就来讲讲清洁能源这块儿的科技树好了，很有意思的~
为啥要清洁能源？
我们知道最普遍使用的汽车加的是汽油，是用「内燃机」直接烧油，再推动活塞，做一系列的机械运动才让车跑起来的。但石油是化石燃料，大自然数百万年前封存的「宝藏」，总会有用完的一天，而且用汽油的环境污染还特严重...子子孙孙怎么办！
飞机上驱动螺旋桨的星型发动机
为了人类的未来，就需要发展出不需要「坐吃山空」的能源，比如太阳能、风能，还有其他比较小众的核能、潮汐能等。在使用上，将这些可再生能源转化成电能，就成了在现代生活以及长远的未来，都很理想的能量利用了~
用氢做能源
既然石油会用完，还污染严重，那换成清洁的燃料不就好了？！这就有科研大佬想到用氢气代替汽油，不仅同质量下燃烧热值比汽油高很多，燃料烧完就只剩下水，用在汽车上，只需要改良烧燃料这部分，这就是「氢内燃机」了。
然而以现在的科技树水平来说，汽车用「内燃机」本身的能量利用率低，燃料再高效，机械效率就只有 40~50% ，大多能量都通过热量的形式散失掉，最终转化为驱动汽车的机械能，只有这么少一部分。
这时候就有科学家念起了电动汽车的好——无气味、无震荡、无噪音。早期没自动挡的时候，电动汽车还没机械那一套齿轮结构，都是无级变速，自然不用换挡，简直新手福利。小时候坐过的电车，当年头上都还需要拉着两根线到处跑，近几年才是汽车带着电池跑...
电动汽车的瓶颈
科技发展总是来来回回好多次，遇到大瓶颈，科学家们又会换个方向和角度去钻研，科技树才这么螺旋着上升~
电池的发展方向是「相同的体积下，装载更多的能量」，用锂离子电池存储电能的电动汽车也一样，它提供电能的反应物都在电池内部，现有的技术也只能是靠电池越多，车子才能蓄越多的电。但毕竟汽车在路上开，体积有限，带更多电池，在汽车上就占地更大了。
电动汽车受限于电池实体，现在的瓶颈也只能是充电几小时，跑个几百公里，然后再找充电桩继续充上几小时...自驾游最多去个郊区，还得问问农舍有没有充电桩跑回来...
燃料电池的机会
这时候又有科学家开始想，能不能打破「电动汽车充电时间长，续航能力短」的限制？
在相同的汽车体积下，如果把电能转化设备做小，直接改由外设装备去提供电能反应物，就跟烧燃料一样，源源不断地输入电池内部，转化成电能，续航能力岂不是可以大幅度提升，简直棒棒！这就是最近上路的「燃料电池」汽车的发展路线了。
氢燃料电池原理
氢燃料电池是利用氢气作为燃料，但这里不再是拿来直接烧，而是通过催化剂将化学能直接转化为电能，没有了无效热能的散失这个过程，能量转化率理论上高达 85~90 %，实验室可以达到 60%！
氢燃料电池汽车
目前氢燃料电池汽车采用的储氢方式是高压气态储瓶，分为 35 和 70 MPa 这两种。高压状态的氢气在实际的使用过程中，需要经过下图白色的减压装置（同时收集空气），然后才被分别输送到下图蓝色的电池反应堆中。
这里的电池反应堆会用到「质子交换膜」技术，氢气在催化剂的作用下分解成质子H+ 和电子 e- ，质子通过质子交换膜到达阴极，而氧气被催化剂还原，并与电子和质子结合生成水。
电子被双极板收集，通过外电路流向阴极，从而产生电能，最后将电能输送到驱动器，你就可以把车子发动啦~
由于氢能源的反应产物仅为水，不会产生其他废气，所以相比其他能源太绿色环保了。
储氢很安全
经常听说有小朋友玩儿氢气球，会发生爆炸，好像大家就会不由自主的联想到氢气很危险，但实际上这是个生产问题...商家本身是为了规避成本高昂很多的氦气球，才充的氢气，制备的氢气球它还不纯啊！
初中实验课教过我们，氢气在密闭空间中的体积只要在 4~75%，一旦受热或接触明火就会爆炸。＜4%，氢气浓度不够，过量空气的冷却作用会阻止了火焰蔓延；＞74.2%，空气不足，导致火焰不能蔓延...而工业制备的氢气纯度都是在 99% 左右的管制品。
储氢瓶的制造同航天发动机的纤维缠绕技术，密封效果很好的同时，储氢罐能承受极高的压力，发生碰撞也不会泄漏，本身就很安全了。
即便真的发生超大外力出现破损，氢气的扩散速度又是汽油的 5.3 倍，在元素周期表里排第一的氢气，密度小浮力大，一旦泄漏扩散超快，不会停留在原地形成可燃雾的，只要不是密闭空间，逃逸速度这么快，是很难达到爆炸条件的。
加氢很安全
我们知道密闭空间才是爆炸的基础，所以加氢气进汽车的储氢瓶就很关键。加氢站的加氢枪和加油站的加油枪只是外观很像，首先当加氢枪捅进去加气之前，第一层锁扣先套紧。
接着是两套转向阀先联结好，之后才能打通这个加氢的通路。
最后氢气被加氢枪一加压，就充到储氢瓶里了。
制氢现状
查了文献，北美 40~50% 的氢气制备是天然气重整法，西欧是 30~35%，这还是在用矿物资源，而且工艺落后，经济效益差。现在各国为了从源头实现可持续性发展，都在研究可再生能源方法去制氢，很理想的就是太阳能光解法，但目前光电转换效率较低，只有 20~30%，而且贵...成本的降低不仅依靠技术的进步，还有赖于规模化的生产。
等等！Cast 还有话说
就像这几天玩的《星露谷物语》拓荒农场一样，一开始要有很大的基础资金投入，去建鸡舍和牛棚，再买鸡买牛，还要花时间等鸡和牛长大，才能稳定产蛋挤牛奶卖钱...氢能源这种清洁能源的应用也一样，在全球现在都是较前期的投入（你们看我并没有玩物丧志...）
为了将来子孙辈能普及用到清洁能源，氢燃料电池能源车也已经写进了国家未来几年的发展规划~目前我国有两个建成并投入使用的加氢站，分别在北京和上海，政府正主导推广氢能源车的示范应用，就在昨天的 6 月 14 日，京东物流率先宣布已经在上海启用超过 150 辆氢能源物流车，助力「绿色」618，相当优秀的企业示范了。
最后...虽然我环境工程学的很好，还是请大家善待学化学的朋友，特别是电化学，这个处于物理和化学的交接处，太难了！下面是为了写好氢能源，这几天和小伙伴们看的资料...
作者：Cast，公众号「有趣的制造」本皮，机械设计制造及其自动化专业，每天带你看一条工业流水线~
特别感谢（本文顾问）：夙绯，物理化学专业，课题组目前研究方向：太阳能电池和光电催化
校对：江小丧、王叉叉
文中 Gif 来源与参考文献：
来自 YouTube 博主 sunartscience 的《氢能车原理》
化学2 必修、选修2、选修4
孙嘉燕, 孙炳孝, 王述洋. 汽车替代燃料的现状分析与展望[J]. 能源研究与信息, 2014(3):125-128.
付甜甜. 电动汽车用氢燃料电池发展综述[J]. 电源技术, 2017, 41(4):651-653.
胡庆松. 氢燃料电池的研究进展[J]. 汽车实用技术, 2017(21):114-116.
王丽, 刘斌. 氢能源汽车的关键技术分析及对策探讨[J]. 工程研究-跨学科视野中的工程, 2017, 9(5):439-445.
周菊枚, 闫康平, 朱忠志. 光电催化制氢研究进展[J]. 四川化工, 2005, 8(5):12-15.
Jiang F, Gunawan, Harada T, et al. Pt/In2S3/CdS/Cu2ZnSnS4 Thin Film as an Efficient and Stable Photocathode for Water Reduction under Sunlight Radiation.[J]. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(42):13691-13697.
郑秋艳, 王少波, 李绍波,等. 氢气的生产方法综述[J]. 低温与特气, 2009, 27(6):12-15.
钱伯章, 朱建芳. 氢气生产的技术进展[J]. 天然气与石油, 2009, 27(1):44-48.
訚耀保, 陈洁萍, 罗九阳,等. 氢能源汽车车载超高压气动减压阀的机理与特性分析[J]. 中国工程机械学报, 2008, 6(3):310-314.
王周. 我国加氢站建设的发展前景探讨[J]. 城市燃气, 2015(10):28-32.
冯文, 王淑娟, 倪维斗,等. 氢能的安全性和燃料电池汽车的氢安全问题[J]. 太阳能学报, 2003, 24(5):677-682.
杨文刚, 李文斌, 林松,等. 碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(12):99-104.