中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：1838年，德國(guó)化學(xué)家克里斯提安·弗里德里?！ど邪嗵岢隽巳剂想姵氐脑?
1991年，羅杰·比林期開(kāi)發(fā)出世界上首個(gè)用于汽車的燃料電池;
1992年，各國(guó)汽車制造商在政府的扶持下開(kāi)始大力研發(fā)燃料電池汽車;
1994年，世界上第一輛燃料電池汽車——奔馳NECARI問(wèn)世;
2013年，豐田在東京車展上展出FCV概念車，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。從用于汽車的燃料電池出現(xiàn)到第一輛汽車問(wèn)世僅花了三年時(shí)間，而從第一輛燃料電池汽車的問(wèn)世，到能夠確切的給出具體上市時(shí)間的車輛，卻走過(guò)了整整九年。
在這九年里，燃料電池車幾度沉浮。每隔上一段時(shí)間，燃料電池車都會(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)汽車的論調(diào)給壓了回去。
以豐田為代表的汽車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)，燃料電池車的動(dòng)力系統(tǒng)組成與混合動(dòng)力車的動(dòng)力系統(tǒng)組成十分相似，不同的是，將混合動(dòng)力車上的發(fā)動(dòng)機(jī)換成了燃料電池堆;從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，燃料電池車倒是與內(nèi)燃機(jī)汽車更為相近，區(qū)別就在于內(nèi)燃機(jī)汽車是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輛，而燃料電池車則是由燃料電池發(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，燃料電池汽車再度撥云見(jiàn)日。而這之中，尤以豐田對(duì)燃料電池汽車最為堅(jiān)持。如果將燃料電池車的問(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
在安全性上，為了讓新款氫燃料電池汽車達(dá)到美國(guó)汽車工程師學(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)，也要保證車內(nèi)乘員的安全。
同時(shí)，在豐田的燃料電池車上也安裝了一個(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?！?
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。
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上的鉑金屬含量與清潔柴油車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的水平。
基于此，豐田稱燃料電池汽車的售價(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，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，燃料電池車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加氫，也就是說(shuō)平均每一千輛燃料電池車才配備一個(gè)加氣站，而平均每輛電動(dòng)汽車卻需要配備1.5個(gè)充電器。
當(dāng)燃料電池的量產(chǎn)車正式上市，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，燃料電池汽車并不占劣勢(shì)。但是電動(dòng)汽車也在大跨步發(fā)展著，當(dāng)純電動(dòng)汽車快速成熟，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，燃料汽車和電動(dòng)汽車就站到了同一高度。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?
