在今年的洛杉磯車展上，大眾集團(tuán)首次對外發(fā)布了旗下最新的三款新能源車型，與常見的純電動、混合動力車型不同，它們?nèi)坎捎昧藲淙剂想姵丶夹g(shù)，除了大眾以外，豐田也同時(shí)發(fā)布了首款燃料電池車型-Mirai，氫燃料電池技術(shù)的密集發(fā)布是否也意味著這種技術(shù)將會是未來新能源車的發(fā)展方向？今天我們以大眾集團(tuán)的氫燃料電池車型入手，一起來分析以下這種新興的汽車技術(shù)。
●什么是燃料電池（Fuel Cell）？
燃料電池（Fuel Cell），顧名思義，是通過燃料的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的一種發(fā)電裝置，簡單地說就是燃料和空氣分別送進(jìn)被燃料電池，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生電能。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，更像是一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它并沒有儲存電能的能力，只能夠產(chǎn)生電能，因此叫燃料電池。
◆燃料電池汽車
燃料電池汽車，給人的第一種感覺很像是使用新型的燃料替代汽油/柴油注入內(nèi)燃機(jī)從而進(jìn)行做功運(yùn)動，其實(shí)則不然，我們所謂的燃料電池汽車其實(shí)本質(zhì)就是一臺電動汽車，不過這種汽車不同于普通的電動汽車需要背負(fù)沉重的電池組來提供電能，而是像普通的汽車一樣加注燃料，通過燃料電池產(chǎn)生電能，然后再來驅(qū)動電動機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動車輛行駛。
燃料電池的類型有很多種，目前燃料電池汽車大部分都采用了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，而采用的燃料就是我們熟知的氫氣，氫氣被充進(jìn)車輛上的高壓氣管，然后再需要的時(shí)候與空氣一起送進(jìn)燃料電池內(nèi)部，通過質(zhì)子交換膜，氫氣與空氣中的氧氣在催化劑的作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流的同時(shí)只生成水，電流用來給電動機(jī)提供動力，而產(chǎn)生的水就直接排放出來，理論上講，從排氣管拍出來的水為純凈水，甚至可以直接拿來飲用。
在行駛特性上，燃料電池汽車與普通的電動汽車完全一樣，并且缺少了沉重龐大的電池組，底盤設(shè)計(jì)的靈活性也可以得到保障，車內(nèi)的空間也并不會受到太大影響。
● 氫燃料電池汽車與氫動力汽車有什么不同？
◆氫內(nèi)燃機(jī)式汽車
由于氫氣是全世界公認(rèn)的環(huán)保燃料，不含有碳元素使其在燃燒后完全不會有二氧化碳和一氧化碳的排放，因此在許多年以前不少汽車廠商就開始在做關(guān)于氫燃料方面的開發(fā)，并且也取得了一些進(jìn)展，比如寶馬在之前就推出過燃油和液態(tài)氫雙燃料的7系轎車。
氫燃料汽車的原理其實(shí)與我們常見的CNG（天然氣）汽車原理大同小異，其采用了氫內(nèi)燃機(jī)，就是將液態(tài)氫代替燃油噴入汽缸，發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)還是與普通的燃油發(fā)動機(jī)基本一致，因此在行駛特性上也與普通汽車差別不大，但是在排放上可以幾乎實(shí)現(xiàn)無污染物排放。
但是，要想將氫作為汽車的驅(qū)動力來源，那么首先就需要將氫氣液化，然后裝在重達(dá)160公斤的液氫罐中，而現(xiàn)在能做到的也只是一次存儲8公斤的液態(tài)氫，連續(xù)行駛200公里左右。同時(shí)由于氫的揮發(fā)性，在補(bǔ)氫后長時(shí)間不用還會有泄漏。再加上氫動汽車的生存需要有與之配套的設(shè)施，如加氫站、維修網(wǎng)絡(luò)等等，而這些都需要直接的市場利益驅(qū)動才能建立起來，加之隨著電動汽車技術(shù)的普及和不斷的完善，越來越多的廠商開始意識到電動車才是未來發(fā)展的方向，所以這種氫內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)也逐步淡出人們的視線。
◆大眾集團(tuán)氫燃料電池汽車
雖然給汽車加注的燃料都為氫氣，但是氫燃料電池汽車與前面所說的氫內(nèi)燃機(jī)汽車在原理上截然不同，此次大眾集團(tuán)推出的三款車型采用的就是氫燃料電池技術(shù)。前者雖然采用的是清潔環(huán)保的氫氣作為能源，但是其仍然屬于內(nèi)燃機(jī)車，而氫燃料電池的車型則歸類于電動車，氫氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和水，再將電能傳輸給電動機(jī)驅(qū)動汽車。
●大眾集團(tuán)氫燃料電池技術(shù)解析
在此次的洛杉磯車展上，大眾集團(tuán)一口氣帶來了三款氫燃料電池汽車，他們是奧迪A7 Sportback h-tron quattro以及大眾旗下的高爾夫和帕薩特Hy-motion，這三款車都是基于大眾集團(tuán)現(xiàn)有的車型平臺打造而來，并且采用的燃料電池技術(shù)也完全相同，都采用了大眾集團(tuán)自主研發(fā)的第四代的100千瓦低溫質(zhì)子交換薄膜技術(shù)（PEM）的燃料電池堆棧，接下來我們就對這套系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的解析。
◆氫燃料電池技術(shù)研發(fā)早在2002年就已經(jīng)開始
2002年，通過對一輛使用燃料電池的borahy .power和一輛使用太陽能為燃料的boratdi，在瑞士和意大利交界處海撥2005多米的辛普朗(simplon)隘口的測試，大眾汽車公司的一種新型氫燃料電池動力傳動系統(tǒng)測試成功。這種燃料電池可以將化學(xué)能量在氧化過程中直接轉(zhuǎn)化為電能且成本較低，該項(xiàng)目是由大眾汽車公司與在瑞士蘇黎士的paulscherrer研究所一起開發(fā)的。
其實(shí)，氫燃料電池汽車離中國的消費(fèi)者也并不遙遠(yuǎn)，在2008年奧運(yùn)會期間，由上海大眾汽車提供的20輛PASSAT領(lǐng)馭氫燃料電池轎車早在7月份就開始了“綠色車隊(duì)”的奧運(yùn)之行。它們除了參與奧運(yùn)期間的馬拉松比賽，還作為運(yùn)輸局的出租保點(diǎn)監(jiān)察用車，每天在8個(gè)主要奧運(yùn)比賽場館附近運(yùn)行，為貴賓、媒體記者和奧組委官員等提供用車服務(wù)。
事實(shí)上，大眾在美國投入氫燃料汽車實(shí)測已經(jīng)有一段時(shí)間了，此間搬上洛杉磯車展，足見其測試順利。由此可見，氫燃料電池技術(shù)車型的集體亮相并不是大眾集團(tuán)的空穴來風(fēng)，而是在經(jīng)過了多年技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累之后，完全能夠達(dá)到量產(chǎn)條件之后的一次匯報(bào)演出。
◆大眾集團(tuán)氫燃料電池汽車構(gòu)造
大眾一直致力于節(jié)省成本的平臺化開發(fā)策略，此次的燃料電池車型也是同樣基于大眾現(xiàn)有的技術(shù)平臺，比如大眾用了MQB平臺和奧迪用了MLB平臺只是對動力系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)進(jìn)行了重新改造，因此在設(shè)計(jì)方面的成本和今后普及的難度方面都比較低。并且這種思路可以為大眾集團(tuán)在今后實(shí)現(xiàn)同一輛車在同一個(gè)生產(chǎn)線上能夠生產(chǎn)處汽油型、柴油型、天然氣型、插電式混合動力型、純電動型以及最新的燃料電池型號。
在原理上，這三款車除了驅(qū)動方式以外采用的動力單元結(jié)構(gòu)都是基本一致的，所以我們選取其中一款車作為主要解析對象。
◆ 關(guān)于燃料電池
實(shí)際上大眾的燃料電池并不只是一整塊電池，而是由300片相互獨(dú)立的“電池”一個(gè)挨著一個(gè)組成的堆棧，其與特斯拉的那塊由眾多電池組成的整套供電系統(tǒng)類似，每一片電池都 能產(chǎn)生0.6~0.8V的電壓，整個(gè)電池堆棧就能一共輸出約230~360V的電壓。除了基本的結(jié)構(gòu)之外，燃料電池堆棧還需要一個(gè)渦輪增壓器來強(qiáng)制輸送空氣進(jìn)入電池中、一個(gè)用來循環(huán)多余氫氣以提高利用效率的風(fēng)扇和一個(gè)冷卻用的泵。這些組建都由電力驅(qū)動并且直接從燃料電池堆棧中取電。
◆ 底盤結(jié)構(gòu)與普通汽車有很大不同
大眾（奧迪）氫燃料電池車的底盤與普通版本的車型有很大的不同，由于需要?dú)錃鈦頌槿剂想姵靥峁┤剂?，因此普通車型扁扁的油箱被高壓氫罐所代替，為了保證續(xù)航里程，氫罐的數(shù)量為四個(gè)，可以儲存接近5kg的氫氣。而普通車輛發(fā)動機(jī)艙的位置則被燃料電池堆棧和電動機(jī)所代替，根據(jù)車型的不同，帕薩特和高爾夫旅行版在前軸上布置有電動機(jī)，而奧迪A7為四輪驅(qū)動，前后軸均有電動機(jī)分布。
燃料電池組外部還有一個(gè)額外的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，用來冷卻燃料電池。一個(gè)熱交換器和一個(gè)自動調(diào)節(jié)的電加熱器用來充當(dāng)暖風(fēng)系統(tǒng)。燃料電池工作溫度在80攝氏度，對冷卻系統(tǒng) 要求比內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)格一些，但是能量利用效率卻高達(dá)60%，是內(nèi)燃機(jī)的兩倍！冷啟動性能也不錯(cuò)，可以保證在零下28攝氏度正常工作。
值得一提的是，由于燃料電池并不具備電能儲存的能力，因此大眾燃料電池汽在車輛的后部還加入了動力電池（8.8千瓦時(shí)的鋰電池組），這塊電池可以儲存一部分電能，并且這部分電能足以讓車輛持續(xù)形式五十公里左右，此時(shí)燃料電池并不需要介入，而在車輛急加速的時(shí)候，燃料電池提供的電能和這塊動力電池提供的電能可以同時(shí)作用在電動機(jī)上，為車輛提供充足的扭矩。另外，這塊電池還可以通過動能回收和外部充電補(bǔ)充電能，進(jìn)一步提升了續(xù)航里程。
◆ 關(guān)于續(xù)航里程
續(xù)航里程是新能源車面臨的最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)問題，特斯拉能取得如此大的成功，很大的一個(gè)原因要?dú)w功于其超過300km的超長續(xù)航里程。在這個(gè)方面，燃料電池汽車相比傳統(tǒng)的電動汽車還是擁有不小的優(yōu)勢。大眾集團(tuán)此次發(fā)布的三款車型全部都配備了四個(gè)儲氫罐，這四個(gè)罐內(nèi)壓力超過700個(gè)大氣壓的儲氫罐一共可以儲存大約5kg的氫氣，在全燃料電池模式下，車輛行駛100公里大約需要1公斤的氫氣，因此理論上講，大眾集團(tuán)的這三款氫燃料電池汽車的續(xù)航里程都可以達(dá)到500公里左右。
◆ 性能水平并不差
奧迪A7 Sportback h-tron quattro的前后軸各布置了一個(gè)電動機(jī)，形成了前后雙電機(jī)的類似特斯拉P85D的“四驅(qū)”結(jié)構(gòu)。每個(gè)電機(jī)都有85千瓦的功率和270牛米的峰值扭矩，這樣的組合搭配一共可提供170千瓦的功率輸出，并且由于雙電機(jī)無需機(jī)械傳動的結(jié)構(gòu)優(yōu) 勢，quattro成了e-quattro，扭矩輸出控制電子無極調(diào)節(jié)，是傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)的。這臺A7 Sportback h-tron quattro只需7.9秒就能夠完成靜止到100公里/小時(shí)的加速，最高車速180公里/小時(shí)。
高爾夫和大眾帕薩特HyMotion只是在在驅(qū)動形式上與A7有些不太相同，但是驅(qū)動原理與前者完全一致。高爾夫SportWagen HyMotion采用了一臺最大輸出功率100kw，峰值扭矩達(dá)到270N·m的一臺電動機(jī)驅(qū)動，其0-100km/h的加速時(shí)間僅為10秒，最高時(shí)速達(dá)到了160km/h，這樣的數(shù)據(jù)基本上與普通的汽油版本沒有太大差別。
◆ 輕量化設(shè)計(jì)有優(yōu)勢
燃料電池工 作的唯一“廢氣”是純凈水蒸氣，因此底盤的排氣管也不用考慮耐高溫或者耐腐蝕，直接用輕量化塑料管路就可以實(shí)現(xiàn)，減重不少。另外，由于沒有像普通電動汽車沉重的電池組，燃料電池汽車的整備質(zhì)量相比前者也有不少的優(yōu)勢。同時(shí)，為了讓重量分布更為均勻，大眾和奧迪在底盤的儲氫罐的分布上也做了文章，其采用了四個(gè)儲氫罐，兩兩分布在后軸的前后部分。
◆ 加注氫氣方便快捷，但基礎(chǔ)設(shè)施并不完善
大眾推出的這三款氫燃料電池車型在加注氫氣的時(shí)候非常方便，在專業(yè)的加氫站只需要3分鐘便可將四個(gè)儲氣罐加滿，相比于那些動輒三四個(gè)小時(shí)，七八個(gè)小時(shí)才可以充滿電的電動汽車來說，氫燃料電池在能源補(bǔ)充方面無疑非常高效。
但是氫燃料電池車型在使用時(shí)存在的問題也非常突出，目前專業(yè)加氫站數(shù)量非常稀少，即便在新能源車型普及率非常高的洛杉磯這種加氫站也僅有幾個(gè)試點(diǎn)，因此想要順利的加到“燃油”并不容易，這也是制約氫能源汽車發(fā)展的最大瓶頸。
◆ 安全性無須擔(dān)心
氫氣是一種易燃易爆的氣體，因此以氫氣為動力的車型其安全性是一個(gè)不可回避的問題。由于氫氣的密度非常小，因此在儲藏的時(shí)候需要使用高壓氣罐，為了保證超過700個(gè)大氣壓的壓力罐的安全，儲氫罐采用鋁合金外殼，并在外圍包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)殼，以保證罐體的剛性和防碰撞能力。據(jù)悉，這中材料與跟寶馬i3/i8的復(fù)合碳纖維車身為同一種。
◆ 真正實(shí)現(xiàn)零排放
氫燃料汽車的排放物質(zhì)只有水和電能，理論上講這是一種完全清潔的交通工具，并且所用的氫氣也是可再生能源，為了讓燃料獲得也實(shí)現(xiàn)零排放，從2013年開始奧迪就啟用了一個(gè)氫氣工廠，通過風(fēng)能發(fā)電來電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，如此舉措也讓大眾集團(tuán)旗下的氫燃料電池汽車可以從源頭和使用過程中實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放。
總結(jié)：
如今，插電式純電動汽車仍然占據(jù)著新能源車市場的半壁江山，但是有限的續(xù)航里程和較為耗時(shí)的充電過程無疑也是電動車現(xiàn)今難以突破的兩大關(guān)鍵性問題。隨著大眾和豐田紛紛在氫燃料電池方面發(fā)力，這種全新的驅(qū)動形式和燃料類型都給汽車領(lǐng)域帶來了新的希望，并且可以達(dá)到真正意義上的零排放也讓這種車型在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天看起來意義重大。
不過，目前氫燃料電池汽車技術(shù)的最大瓶頸在于后期的配套設(shè)施建設(shè)，雖然，大眾集團(tuán)在車輛的技術(shù)方面已經(jīng)可以達(dá)到量產(chǎn)的水平的，但是稀少的加氫站無疑是這種車型普及最大的障礙。豐田今年年底將在日本市場正式推出Mirai氫燃料電池車型，雖然不知道在后期配套方面豐田是如何解決的，但無疑它的上市會為燃料電池汽車行業(yè)帶來巨大的推動作用。
相比豐田Mirai，大眾集團(tuán)的氫燃料電池車型最大的優(yōu)勢在于平臺化打造，可以在現(xiàn)有的汽車平臺基礎(chǔ)上打造不同類型的新能源車，進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)制造成本，而豐田的Mirai則是孤零零地單獨(dú)作戰(zhàn)，若在不久的將來加氫站的問題可以得到解決，那么大眾在這方面將會有迅速的反應(yīng)。
