新紀元的到來 聊聊燃料電池汽車那些事

　　[汽車之家 電動車技術]  燃料電池技術并不是什么新鮮技術，其基本原理在19世紀末就已被科學家發現了，而其被應用于車輛之上則是在上世紀60年代末。當時，燃料電池汽車的性能和制造成本都無法與當時搭載汽油發動機的汽車相媲美。隨著燃料電池技術的不斷改進，加上汽車生產商在燃料電池汽車研發上的不斷投入，終于有兩款燃料電池車型于2014年實現了量產并推向市場，這兩款車型分別是現代Tucson FCV以及豐田Mirai。上述兩款車型的量產真正把人們帶進了燃料電池汽車的新時代。本文將為大家介紹一下燃料電池汽車的發展歷程與現狀，希望大家能對燃料電池汽車這種新鮮事物有一個更深入的認識。

● 2014年是量產型燃料電池汽車元年

　　2014年6月10日，量產型的現代Tucson FCV正式登陸美國加州市場。該車型通過租賃的方式以499美元（約合人民幣3098元）的月租進行出租。該車于今年5月份在英國上市，售價為53105英鎊，減去15000英鎊的政府補貼，用戶只需用38105英鎊（約合人民幣37.1萬元）即可買到一臺現代Tucson FCV燃料電池車。

　　豐田Mirai在2014年12月15日上市，欲復制豐田普銳斯的成功�！癕irai”在日語中意為“未來”。豐田寄予Mirai車型的是其對新能源汽車未來的憧憬。在混合動力汽車市場獲得一定成績的豐田欲借助Mirai車型開拓燃料電池汽車這片新藍海。

　　相比現代Tucson FCV，豐田Mirai在動力性能和續航里程上都有一定的優勢。兩車的動力系統輸出功率已達到甚至超越1.8升自然吸氣汽油發動機的水平，加上超過400公里的續航里程，使兩車具備了較好的實用性。

● 量產型燃料電池汽車的結構

　　下面以豐田Mirai為例簡單介紹一下燃料電池汽車的結構。豐田Mirai是以氫氣為燃料的。在燃料電池中，氫氣在催化劑的作用下與氧氣發生化學反應產生電能�！叭紵�”之后的氫氣會變成水，該反應過程理論上是無污染的。豐田Mirai的氫燃料存儲在高壓儲氫罐中，該儲氫罐采用了碳纖維材質制造，分別位于底盤中部和尾部，總容積為122.4升，充滿一次氫氣約需3分鐘。

　　燃料電池位于前排座椅下方。燃料電池產生的電能直接驅動位于發動機艙的電動機。電動機進行能量回收獲得的電能將經過動力控制單元儲存在位于車輛尾部的動力電池中。

　　下面的視頻為大家展示了豐田Mirai組裝過程中最為關鍵的底盤和電池系統的安裝，推薦大家觀看。

● 豐田Mirai底盤和電池系統的安裝過程

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● 供給氫氣和氧氣就能發電的神奇裝置

　　只要給燃料電池不斷地供給氫氣和氧氣，就能源源不斷地獲得電能，而其產物理論上是完全無污染的水。從豐田Mirai的身上，我們似乎能窺見“只有藍天、沒有霧霾”的未來環保社會景象。而各位可能不知道的是，燃料電池技術的基本原理是在19世紀末發現的。

　　上圖裝置①是氣體電極電池，裝置②是一個電解水的裝置。該實驗裝置是為了驗證氣體電極電池產生了電能。陰極（圖中的“-”）和陽極（圖中的“+”）上發生的具體化學反應方程式如上圖所示。氣體電極電池的工作原理為燃料電池的誕生奠定了理論基礎。

　　現在最新的燃料電池汽車大多采用質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱為“PEMFC”），結構示意圖可參看上圖。圖中，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質傳導氫離子向陰極轉移。雖然質子交換膜燃料電池技術比William Robert Grove的氣體電極電池晚出現一百多年，但其內在化學反應原理是一致的。

　　我想絕大部分消費者都不會想要拆開自己的燃料電池車的燃料電池看看內部是如何工作的。對于普通消費者來說，我們只需知道燃料電池汽車的燃料電池工作所需的燃料為氫氣和氧氣，發電后的產物為無污染的水即可。

● 燃料電池技術的實用化

　　20世紀50年代，GE（通用電氣）資助了PEMFC質子交換膜燃料電池的研究。上世紀60年代，美國NASA（國家航空航天局）的“阿波羅登月計劃”中就是采用燃料電池為太空船提供電力和飲用水的�？梢�，在那時候，燃料電池已是一種被驗證的成熟技術。

　　初期的民用燃料電池發電效率、輸出功率、使用壽命、體積等性能參數都遠遠比不上當時的內燃機，沒有出現量產的燃料電池汽車也在情理之中。

　　正是因為燃料電池越來越多地應用于民用領域，燃料電池生產商看到了市場前景，愿意投入資源進行開發，逐步提升了燃料電池的效能并降低制造成本。燃料電池技術的發展浪潮也催生出了如PLUG、Ballard、FuelCell等世界知名燃料電池供應商。

● 燃料電池汽車熱潮的到來

　　90年代初，質子交換膜燃料電池在實用化方面取得長足進步。采用鉑金屬作為催化劑的質子交換膜燃料電池具有發電效率高、輸出比功率高（高達0.5-1.5瓦/平方厘米，該數值越大表示產生一定的功率所采用的質子交換膜面積越小，燃料電池體積越�。�、壽命長、噪音低、可室溫啟動等諸多優點，為該技術應用到汽車上鋪平了道路。

　　此后，豐田、本田、通用等汽車廠商用于展示其技術實力的燃料電池汽車產品如雨后春筍般涌現。美國時代周刊在1995年將燃料電池汽車列為21世紀十大高新技術之首。日本和德國等發達國家開始投巨資發展燃料電池技術。這種完全零排放的燃料電池技術對于各大汽車生產廠商而言，是一片極具潛力的產業藍海。

　　對于燃料電池的自主研發，豐田比戴姆勒-奔馳開始得更早。豐田在1992年就開始對燃料電池進行研究，這個研究項目幾乎是與豐田普銳斯混動汽車項目同時展開的。

　　經過六年多的量產化過程，豐田Mirai于2014年12月15日在日本本土正式上市。現任日本首相安倍晉三為提振日本經濟，大力支持燃料電池汽車及燃料電池產業，并加大了對上述產業的補貼力度。

　　在十幾年前，一臺燃料電池汽車的造價接近1.2億日元（折合人民幣約620萬元），而現在的豐田Mirai只要723.6萬日元（日本本土售價），除去225.3萬日元的政府補貼及稅費減免，用戶僅需支付498.3萬日元（折合人民幣約25.8萬元）即可把一臺完全零排放的豐田Mirai開回家。

　　豐田開放燃料電池專利后，受惠的不只是免費使用專利的企業，豐田也從中獲益。通過開放專利，豐田就能把有意投身燃料電池汽車領域的企業納入到自己的陣營，壯大自己的勢力，共同把市場做大。其次，當其他企業都采用豐田的專利來制造自己的燃料電池汽車，當有一天豐田的技術升級了，但技術不開放，那原本使用了免費專利的那些企業只能向豐田購買專利才能升級自己的產品。再次，通過開放專利，讓更多企業都沿著豐田燃料電池技術的路子去開發燃料電池汽車產品，這就讓采用其他技術路線的企業遭到孤立并最終失去競爭力。

　　除了上面提到的幾款車型外，其他廠商的燃料電池汽車產品大多處于試驗階段，暫時未有量產上市的消息。

● 燃料電池汽車優勢暫未能完全體現

　　燃料電池汽車零排放無污染，可以說是環保汽車的終極形態。但是現階段其燃料（氫氣）的大規模環保制備技術并未十分成熟。傳統的制氫工藝是通過電解水來獲得氫氣的。而如果用于電解水的電能來自于燒煤發電，便存在碳排放，燃料電池汽車便失去了其存在的意義。

　　除此以外，基礎設施建設也是制約燃料電池汽車發展的障礙。沒有人會買一臺沒地方添加燃料的汽車。所以基礎設施建設及氫氣制備技術這兩方面對燃料電池汽車的普及有著至關重要的影響。

　　和現在市場上成熟的混合動力汽車相比起來，燃料電池汽車的使用環境并未成熟，其優勢還未能完全體現。現階段，混合動力汽車和純電動汽車還將是市場的主流。燃料電池汽車、混合動力汽車、純電動汽車的優缺點可參見下圖：

　　在中國，由于充電樁和加氫站這兩項設施并不完善，極大地限制了純電動汽車和燃料電池汽車在中國的發展。作為極力主張打造氫能源社會的日本，積極開發利用可再生資源制氫的技術并加大加氫站的基礎設施建設現已成為拉動日本經濟和促進產業升級的一個重要方向。

● 強強聯合的格局

　　面對豐田這款Mirai燃料電池汽車所掀起的燃料電池汽車量產化浪潮，各大廠商豈能坐視不理，紛紛尋求合作伙伴，共同開發以保證自身在燃料電池汽車技術領域不至于落后太多。

　　這種強強聯合的格局以及團隊之間的競爭也將加速燃料電池汽車的量產化和普及化進程。其實，研究燃料電池汽車的整車廠商遠不止上面提到的幾家，但凡有點實力的廠商都在燃料電池領域有所涉獵。所不同的是，并不是所有廠商都能把研發成果推廣至量產產品之上。

● 燃料電池汽車在質疑聲中成長

　　事物的發展總是波浪式前進和螺旋式上升的。燃料電池汽車相對于采用內燃機的傳統汽車算是一個新穎的事物，它顛覆了汽車的傳統動力源，在它來到這個世界伊始便一直受到各界的質疑。

　　大眾汽車集團CEO馬丁·文德恩（Martin Winterkorn）、特斯拉汽車CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）等車企高層均對于豐田Mirai燃料電池汽車的經濟可行性及環境安全問題提出質疑。他們認為豐田在混合動力/插電式混合動力汽車市場發展良好，為一項經濟可行性未得到驗證的技術投入過多資源會削弱其核心競爭力。

　　現任豐田汽車總裁豐田章男面對質疑，不以為然。他認為，混合動力/插電式混合動力汽車和燃料電池汽車擁有共同發展的空間。17年前，業界對豐田普銳斯（1997年12月上市）提出了很多質疑。但17年過去了，普銳斯賣出了700萬臺（截至2014年6月），是汽車百年歷史中賣得最多的單一車型及賣得最多的環保車型。豐田普銳斯能成功，豐田Mirai就有成功的機會！

　　豐田汽車的堅持與執著加上本屆日本政府大力支持燃料電池汽車及相關產業，為燃料電池汽車在日本普及鋪平了道路。日本或將成為世界上最先普及燃料電池汽車的國家之一。

● 燃料電池汽車在中國

　　在上世紀末，上海神力科技公司和大連新源動力公司承擔了國家“九·五”重點863科技攻關計劃的“質子交換膜燃料電池動力系統”的研制，并取得多項專利技術，并為同濟和清華大學研制的燃料電池汽車配套燃料電池動力系統。

　　從資料來看，我國的燃料電池汽車研發其實是開展得還是比較早的，部分車企與高校合作也做出了一些展示車，其中包括轎車和大巴車，但最終形成量產產品的車型并不多。大多數展示車只作為大型會議的賓客接送車之用，普及程度相當低。這與國內基礎設施和政策取向不無關系。

　　總結：在新能源汽車行業的紛紛擾擾中，豐田Mirai和現代Tucson FCV實現量產，把人們帶進了燃料電池汽車的新紀元。伴隨著氫燃料制備技術的迅速突破及燃料電池汽車的制造成本下降，燃料電池汽車革命或將一舉成功，傳統汽車產業迎來更新換代、重新洗牌的時代。否則，燃料電池汽車將繼續是汽車行業里的少數派，被更新的技術取代，成為時代的孤兒。無論如何，作為一個有遠見、有膽識、有自信的企業家，既然在燃料電池汽車領域看到了曙光，又怎能放棄孤注一擲的機會呢？或許燃料電池汽車的成功就在拐角的地方。（圖/文 汽車之家 常慶林）