中國儲能網(wǎng)訊：1838年，德國化學(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·比林期開發(fā)出世界上首個用于汽車的燃料電池;
1992年，各國汽車制造商在政府的扶持下開始大力研發(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)版問世。
單從這短短的幾行字中，我們無法得知這輛即將問世的量產(chǎn)版的燃料電池車經(jīng)歷了怎樣的千錘百煉。不過，僅從時間上也能窺得冰山一角。從用于汽車的燃料電池出現(xiàn)到第一輛汽車問世僅花了三年時間，而從第一輛燃料電池汽車的問世，到能夠確切的給出具體上市時間的車輛，卻走過了整整九年。
在這九年里，燃料電池車幾度沉浮。每隔上一段時間，燃料電池車都會帶著某項技術(shù)的重大突破出來狠狠刷一把存在感，然而，那些懸而未解的問題總是讓人們對于他的質(zhì)疑大于支持，于是，又被混合動力、純電動汽車的論調(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)代計劃在明年的春天開始加州的ix35租賃項目;福特、戴姆勒和日產(chǎn)三方聯(lián)合，初步的推出時間定在了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年間也會有產(chǎn)品問世。
氫與氧的“約會”
從結(jié)構(gòu)上來說，燃料電池車的動力系統(tǒng)組成與混合動力車的動力系統(tǒng)組成十分相似，不同的是，將混合動力車上的發(fā)動機(jī)換成了燃料電池堆;從本質(zhì)上來說，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單。燃料電池由陽極、電解質(zhì)和陰極三個相鄰的區(qū)段組成。在兩個相鄰的區(qū)段之間，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)——氫氣在陽極發(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，帶動負(fù)載在系統(tǒng)上的電氣設(shè)備，包括電動機(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汽車上的電池來說，重量上占有極大的優(yōu)勢。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)時候補(bǔ)充燃料即可，因此也不存在電動汽車的通病——里程焦慮癥。
而對于燃料電池來說，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，因此氫氣的存儲和運輸一直是燃料電池發(fā)展中的一大難題。不過，由于氫氣的存儲與運輸與燃油有著異曲同工之處，在發(fā)展初期，可以通過改造加油站為加氣站，因此，在這一點上，相比電動汽車需要建立全新的充電站，也并非全然是劣勢。
眾所周知，氫氣最簡單的獲取方式即是電解水，而電解水的方式雖然簡單，卻要耗費大量的電能。對于燃料電池而言，先是電解水獲得氫氣，再用氫氣作為燃料去發(fā)電，貌似是走了個彎路，人們也對能量的轉(zhuǎn)換效率打了個問號，最常聽到的言論就是氫氣的制造所耗費的能量要遠(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。這個名字可能大家不太熟悉，但是它的俗稱相比很多人都不會陌生——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為鉑的存在而水漲船高。
正是這些因素的存在，讓燃料電池汽車一直游走在市場的邊緣。經(jīng)歷了九年的發(fā)展，燃料電池汽車再度撥云見日。而這之中，尤以豐田對燃料電池汽車最為堅持。如果將燃料電池車的問世比作西天取經(jīng)的話，那么燃料電池的這些劣勢就是取經(jīng)路上的妖魔鬼怪，現(xiàn)在，就來看看，“大師兄”豐田是如何用七十二般變化來應(yīng)對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存和運輸極為困難：既要保證不會造成過多的損耗，也要保證整個過程的安全性。
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。而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫氣在零下253℃時，才會以液態(tài)形式存在，因此必須使用特殊的“保溫”容器來存儲液態(tài)氫。液態(tài)氫極易氣化，因此曾經(jīng)發(fā)生過燃料電池汽車停放時間較長后，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“三型”塑料氫氣儲氣罐，其罐內(nèi)壓強(qiáng)為1萬磅/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)到美國汽車工程師學(xué)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，豐田曾對燃料電池汽車進(jìn)行了多次碰撞測試。其設(shè)計原則是，即便在氫氣輸送管因交通事故或其他原因發(fā)生破裂時，也要保證車內(nèi)乘員的安全。
同時，在豐田的燃料電池車上也安裝了一個氫氣的緊急排放裝置。出現(xiàn)緊急情況時，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，都會有插電式汽車的擁躉者回應(yīng)，制造氫氣所耗費的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫氣所產(chǎn)生的能量。這個說法，對于燃料電池來說，就略有些不公平了，因此對于汽油或者其他類型的能源，從來沒有提到過這兩者之間的比較。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)時說到，“而這個過程是符合能量定律的。在能量變化過程中，都會存在損耗，轉(zhuǎn)換的過程越多，損耗的也就越多。這對于任何一種形式的動力系統(tǒng)來說，都是一樣的。”
事實上是，電解水氫氣的過程確實需要耗費大量的能量，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%。不過隨著技術(shù)的進(jìn)步，這一數(shù)字也會逐漸提高。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%的總熱效率是電動汽車所不能比擬的。
不同燃料的效率比較
另外，對于天然氣資源豐富的地區(qū)，也可以從天然氣為原料來制造氫氣。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分解提取氫氣。通過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)過長年累月的研究，至今也沒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不會高于5萬美元(折合人民幣約30萬元)，雖然依然很高，但是相比于曾經(jīng)100萬美元的單價，已經(jīng)有了相當(dāng)大的進(jìn)步。而且相比純電動車，這個價格已經(jīng)占據(jù)了優(yōu)勢。
燃料電池另外的成本來自于氫氣站的建設(shè)。然而，前文也提到過，相比于電動汽車，燃料電池車在這方面同樣存在優(yōu)勢：
第一，初期的加氣站可以通過加油站改造而來，而電動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，也就是說平均每一千輛燃料電池車才配備一個加氣站，而平均每輛電動汽車卻需要配備1.5個充電器。
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。
雖然面對著電動汽車，燃料電池汽車并不占劣勢。但是電動汽車也在大跨步發(fā)展著，當(dāng)純電動汽車快速成熟，續(xù)航里程延長充電時間減少到一定程度時，燃料電池汽車是否還有競爭優(yōu)勢還未可知，更不用說現(xiàn)在已經(jīng)取得一定認(rèn)可、市場接受程度更高的混合動力汽車了。
在基礎(chǔ)設(shè)施同樣完備、能源危機(jī)愈加嚴(yán)重的時候，燃料汽車和電動汽車就站到了同一高度。到那時候，什么會成為推動燃料電池汽車成為主流的因素?而燃料電池的優(yōu)勢是否會具備那個影響力，成為消費者心目中根深蒂固的習(xí)慣呢?
