燃料電池汽車(chē)的前世今生

　　1838年，德國(guó)化學(xué)家克里斯提安·弗里德里希·尚班提出了燃料電池的原理;

　　1991年，羅杰·比林期開(kāi)發(fā)出世界上首個(gè)用于汽車(chē)的燃料電池;

　　1992年，各國(guó)汽車(chē)制造商在政府的扶持下開(kāi)始大力研發(fā)燃料電池汽車(chē);

　　1994年，世界上第一輛燃料電池汽車(chē)————奔馳NECARI問(wèn)世;

　　2013年，豐田在東京車(chē)展上展出FCV概念車(chē)，并宣告2015年量產(chǎn)版問(wèn)世。

　　單從這短短的幾行字中，我們無(wú)法得知這輛即將問(wèn)世的量產(chǎn)版的燃料電池車(chē)經(jīng)歷了怎樣的千錘百煉。不過(guò)，僅從時(shí)間上也能窺得冰山一角。從用于汽車(chē)的燃料電池出現(xiàn)到第一輛汽車(chē)問(wèn)世僅花了三年時(shí)間，而從第一輛燃料電池汽車(chē)的問(wèn)世，到能夠確切的給出具體上市時(shí)間的車(chē)輛，卻走過(guò)了整整九年。

　　在這九年里，燃料電池車(chē)幾度沉浮。每隔上一段時(shí)間，燃料電池車(chē)都會(huì)帶著某項(xiàng)技術(shù)的重大突破出來(lái)狠狠刷一把存在感，然而，那些懸而未解的問(wèn)題總是讓人們對(duì)于他的質(zhì)疑大于支持，于是，又被混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車(chē)的論調(diào)給壓了回去。

　　以豐田為代表的汽車(chē)制造商們卻愈挫愈勇。除了豐田公布了明確的時(shí)間表之外，寶馬已經(jīng)與豐田簽署了合作協(xié)議，共同推進(jìn)燃料電池研究;本田同樣將在2015年推出下一代的FCX Clarity;現(xiàn)代計(jì)劃在明年的春天開(kāi)始加州的ix35租賃項(xiàng)目;福特、戴姆勒和日產(chǎn)三方聯(lián)合，初步的推出時(shí)間定在了2017年;最早進(jìn)入燃料電池領(lǐng)域的通用也與本田聯(lián)手，大約在2015-2017年間也會(huì)有產(chǎn)品問(wèn)世。

　　氫與氧的”約會(huì)”

　　從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，燃料電池車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)組成與混合動(dòng)力車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)組成十分相似，不同的是，將混合動(dòng)力車(chē)上的發(fā)動(dòng)機(jī)換成了燃料電池堆;從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，燃料電池車(chē)倒是與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)更為相近，區(qū)別就在于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，而燃料電池車(chē)則是由燃料電池發(fā)電，再將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

　　燃料電池的工作原理很簡(jiǎn)單。燃料電池由陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極三個(gè)相鄰的區(qū)段組成。在兩個(gè)相鄰的區(qū)段之間，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)————?dú)錃庠陉?yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，從而消耗燃料，產(chǎn)生電流，帶動(dòng)負(fù)載在系統(tǒng)上的電氣設(shè)備，包括電動(dòng)機(jī)、車(chē)載設(shè)備和組件等。

　　燃料電池原理

　　為了提供所需要的輸出能量，汽車(chē)上所使用的是燃料電池組合而成的燃料電池堆。燃料電池堆相比電動(dòng)汽車(chē)上的電池來(lái)說(shuō)，重量上占有極大的優(yōu)勢(shì)。除此之外，由于自帶發(fā)電設(shè)備，燃料電池汽車(chē)不需要從電網(wǎng)中獲得電能，只需要在適當(dāng)時(shí)候補(bǔ)充燃料即可，因此也不存在電動(dòng)汽車(chē)的通病————里程焦慮癥。

　　而對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵在于氫氣的獲取以及化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

　　氫氣是極易燃的氣體，雖然在常溫下穩(wěn)定性高，但是點(diǎn)燃或加熱后很容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再加上重量輕，擴(kuò)散速度快，因此氫氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸一直是燃料電池發(fā)展中的一大難題。不過(guò)，由于氫氣的存儲(chǔ)與運(yùn)輸與燃油有著異曲同工之處，在發(fā)展初期，可以通過(guò)改造加油站為加氣站，因此，在這一點(diǎn)上，相比電動(dòng)汽車(chē)需要建立全新的充電站，也并非全然是劣勢(shì)。

　　眾所周知，氫氣最簡(jiǎn)單的獲取方式即是電解水，而電解水的方式雖然簡(jiǎn)單，卻要耗費(fèi)大量的電能。對(duì)于燃料電池而言，先是電解水獲得氫氣，再用氫氣作為燃料去發(fā)電，貌似是走了個(gè)彎路，人們也對(duì)能量的轉(zhuǎn)換效率打了個(gè)問(wèn)號(hào)，最常聽(tīng)到的言論就是氫氣的制造所耗費(fèi)的能量要遠(yuǎn)大于其能產(chǎn)生的能量。

　　最后的難題就在于使用的催化劑上。氫氣的氧化反應(yīng)與氧氣的還原反應(yīng)所使用的催化劑均為稀有金屬鉑。這個(gè)名字可能大家不太熟悉，但是它的俗稱相比很多人都不會(huì)陌生————白金。在自然界中，白金是比黃金還稀少的存在，常作為貴重首飾的材料，因此，燃料電池的成本也因?yàn)殂K的存在而水漲船高。

　　正是這些因素的存在，讓燃料電池汽車(chē)一直游走在市場(chǎng)的邊緣。經(jīng)歷了九年的發(fā)展，燃料電池汽車(chē)再度撥云見(jiàn)日。而這之中，尤以豐田對(duì)燃料電池汽車(chē)最為堅(jiān)持。如果將燃料電池車(chē)的問(wèn)世比作西天取經(jīng)的話，那么燃料電池的這些劣勢(shì)就是取經(jīng)路上的妖魔鬼怪，現(xiàn)在，就來(lái)看看，”大師兄”豐田是如何用七十二般變化來(lái)應(yīng)對(duì)這八十一種磨難的吧。

　　基礎(chǔ)設(shè)施的障礙

　　氫氣分子尺寸小，易滲漏，而且可燃性高，這種物理特性決定了其儲(chǔ)存和運(yùn)輸極為困難：既要保證不會(huì)造成過(guò)多的損耗，也要保證整個(gè)過(guò)程的安全性。

　　早期由于燃料電池技術(shù)的局限，氫氣必須以液態(tài)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫氣在零下253℃時(shí)，才會(huì)以液態(tài)形式存在，因此必須使用特殊的”保溫”容器來(lái)存儲(chǔ)液態(tài)氫。液態(tài)氫極易氣化，因此曾經(jīng)發(fā)生過(guò)燃料電池汽車(chē)停放時(shí)間較長(zhǎng)后，氫氣箱就變得空空蕩蕩的現(xiàn)象。

　　豐田的燃料電池汽車(chē)上配置了一對(duì)”三型”塑料氫氣儲(chǔ)氣罐，其罐內(nèi)壓強(qiáng)為1萬(wàn)磅/平方英寸，為保證罐體強(qiáng)度，豐田公司用碳纖維材料作為增強(qiáng)材料來(lái)包裹氣罐外部。

　　豐田FCHV-adv燃料電池概念車(chē)

　　在安全性上，為了讓新款氫燃料電池汽車(chē)達(dá)到美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，豐田曾對(duì)燃料電池汽車(chē)進(jìn)行了多次碰撞測(cè)試。其設(shè)計(jì)原則是，即便在氫氣輸送管因交通事故或其他原因發(fā)生破裂時(shí)，也要保證車(chē)內(nèi)乘員的安全。

　　同時(shí)，在豐田的燃料電池車(chē)上也安裝了一個(gè)氫氣的緊急排放裝置。出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能夠在幾分鐘內(nèi)將可燃部件內(nèi)殘留的氫氣全部放光。

　　凈能量的失敗者?

　　幾乎每一次有燃料電池的消息發(fā)布時(shí)，都會(huì)有插電式汽車(chē)的擁躉者回應(yīng)，制造氫氣所耗費(fèi)的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫氣所產(chǎn)生的能量。這個(gè)說(shuō)法，對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，就略有些不公平了，因此對(duì)于汽油或者其他類(lèi)型的能源，從來(lái)沒(méi)有提到過(guò)這兩者之間的比較。而事物之間的比較，應(yīng)該建立在同一基礎(chǔ)之上。

　　”不管是內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的熱能、電池中的電能，還是燃料電池產(chǎn)生的電能，與制造這些能源耗費(fèi)的能量相比，都是要少的，”豐田技術(shù)中心的首席工程師Matt McClory在回應(yīng)時(shí)說(shuō)到，”而這個(gè)過(guò)程是符合能量定律的。在能量變化過(guò)程中，都會(huì)存在損耗，轉(zhuǎn)換的過(guò)程越多，損耗的也就越多。這對(duì)于任何一種形式的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，都是一樣的?！?/p>

　　事實(shí)上是，電解水氫氣的過(guò)程確實(shí)需要耗費(fèi)大量的能量，制造一千克的氫氣就要消耗50-60度電，在豐田的FCHV-adv車(chē)上能儲(chǔ)存6千克的氫氣。相比于汽油高達(dá)80%-85%的生產(chǎn)效率，氫氣的生產(chǎn)效率目前僅為50%-60%。不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，這一數(shù)字也會(huì)逐漸提高。更重要的是，雖然氫氣的生產(chǎn)效率低，但是其熱效率高，而最終的45%的總熱效率是電動(dòng)汽車(chē)所不能比擬的。

　　不同燃料的效率比較

　　另外，對(duì)于天然氣資源豐富的地區(qū)，也可以從天然氣為原料來(lái)制造氫氣。目前采用的技術(shù)為氣態(tài)甲烷裂變技術(shù)，向天然氣中注入高壓水蒸汽來(lái)分解提取氫氣。通過(guò)這種方式提取的氫氣純度很高，可直接用于燃料電池汽車(chē)。

　　居高不下的成本戰(zhàn)

　　我們已經(jīng)知道，制造燃料電池需要使用非常昂貴的鉑金屬。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的研究，至今也沒(méi)有找到鉑金屬的合格替代品，這讓燃料電池的成本一直居高不下。

　　雖然目前并沒(méi)有找到比鉑金屬更合適或者與鉑金屬相當(dāng)?shù)奶娲牧?，但是降低成本并非只有這一個(gè)辦法。

　　豐田在制造燃料電池催化劑的工藝上取得了很大的進(jìn)步，通過(guò)將鉑金屬鍍到催化劑的表面，大幅度降低了鉑金屬的使用量，也就降低了燃料電池的成本。

　　而且，目前豐田燃料電池汽車(chē)上的鉑金屬含量與清潔柴油車(chē)的催化劑中使用的鉑金屬含量基本相當(dāng)，未來(lái)有可能將燃料電池的鉑金屬含量降至低于清潔柴油汽車(chē)的水平。

　　基于此，豐田稱燃料電池汽車(chē)的售價(jià)不會(huì)高于5萬(wàn)美元(折合人民幣約30萬(wàn)元)，雖然依然很高，但是相比于曾經(jīng)100萬(wàn)美元的單價(jià)，已經(jīng)有了相當(dāng)大的進(jìn)步。而且相比純電動(dòng)車(chē)，這個(gè)價(jià)格已經(jīng)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。

　　燃料電池另外的成本來(lái)自于氫氣站的建設(shè)。然而，前文也提到過(guò)，相比于電動(dòng)汽車(chē)，燃料電池車(chē)在這方面同樣存在優(yōu)勢(shì)：

　　第一，初期的加氣站可以通過(guò)加油站改造而來(lái)，而電動(dòng)汽車(chē)的充電站和充電樁都需要另建;

　　第二，初期的加氣站每天預(yù)計(jì)可以給50輛燃料電池車(chē)補(bǔ)充氫氣，而加氣站具有可擴(kuò)展性，隨著規(guī)模的增大，最終加氣站可以達(dá)到每天給上千輛的燃料電池車(chē)加氫，也就是說(shuō)平均每一千輛燃料電池車(chē)才配備一個(gè)加氣站，而平均每輛電動(dòng)汽車(chē)卻需要配備1.5個(gè)充電器。

　　當(dāng)燃料電池的量產(chǎn)車(chē)正式上市，也就相當(dāng)于歷經(jīng)磨難的取經(jīng)人們?nèi)〉昧苏娼?jīng)。然而，取經(jīng)僅僅還只是第一步，傳播真經(jīng)，獲得人們的信仰是更為重要的一步。

　　雖然面對(duì)著電動(dòng)汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)并不占劣勢(shì)。但是電動(dòng)汽車(chē)也在大跨步發(fā)展著，當(dāng)純電動(dòng)汽車(chē)快速成熟，續(xù)航里程延長(zhǎng)充電時(shí)間減少到一定程度時(shí)，燃料電池汽車(chē)是否還有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)還未可知，更不用說(shuō)現(xiàn)在已經(jīng)取得一定認(rèn)可、市場(chǎng)接受程度更高的混合動(dòng)力汽車(chē)了。

　　在基礎(chǔ)設(shè)施同樣完備、能源危機(jī)愈加嚴(yán)重的時(shí)候，燃料汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)就站到了同一高度。到那時(shí)候，什么會(huì)成為推動(dòng)燃料電池汽車(chē)成為主流的因素?而燃料電池的優(yōu)勢(shì)是否會(huì)具備那個(gè)影響力，成為消費(fèi)者心目中根深蒂固的習(xí)慣呢?