燃料电池汽车的艰难孕育记-电子工程世界

1838年，德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班提出了燃料电池的原理；

1991年，罗杰·比林期开发出世界上首个用于汽车的燃料电池；

1992年，各国汽车制造商在政府的扶持下开始大力研发燃料电池汽车；

1994年，世界上第一辆燃料电池汽车——奔驰NECARI问世；

2013年，丰田在东京车展上展出FCV概念车，并宣告2015年量产版问世。

单从这短短的几行字中，我们无法得知这辆即将问世的量产版的燃料电池车经历了怎样的千锤百炼。不过，仅从时间上也能窥得冰山一角。从用于汽车的燃料电池出现到第一辆汽车问世仅花了三年时间，而从第一辆燃料电池汽车的问世，到能够确切的给出具体上市时间的车辆，却走过了整整九年。

在这九年里，燃料电池车几度沉浮。每隔上一段时间，燃料电池车都会带着某项技术的重大突破出来狠狠刷一把存在感，然而，那些悬而未解的问题总是让人们对于他的质疑大于支持，于是，又被混合动力、纯电动汽车的论调给压了回去。

以丰田为代表的汽车制造商们却愈挫愈勇。除了丰田公布了明确的时间表之外，宝马已经与丰田签署了合作协议，共同推进燃料电池研究；本田同样将在2015年推出下一代的FCX Clarity；现代计划在明年的春天开始加州的ix35租赁项目；福特、戴姆勒和日产三方联合，初步的推出时间定在了2017年；最早进入燃料电池领域的通用也与本田联手，大约在2015-2017年间也会有产品问世。

氢与氧的“约会”

从结构上来说，燃料电池车的动力系统组成与混合动力车的动力系统组成十分相似，不同的是，将混合动力车上的发动机换成了燃料电池堆；从本质上来说，燃料电池车倒是与内燃机汽车更为相近，区别就在于内燃机汽车是将热能转换为机械能驱动车辆，而燃料电池车则是由燃料电池发电，再将电能转化为机械能。

燃料电池的工作原理很简单。燃料电池由阳极、电解质和阴极三个相邻的区段组成。在两个相邻的区段之间，会发生化学反应——氢气在阳极发生氧化反应，氧气在阴极发生还原反应，从而消耗燃料，产生电流，带动负载在系统上的电气设备，包括电动机、车载设备和组件等。

燃料电池原理

为了提供所需要的输出能量，汽车上所使用的是燃料电池组合而成的燃料电池堆。燃料电池堆相比电动汽车上的电池来说，重量上占有极大的优势。除此之外，由于自带发电设备，燃料电池汽车不需要从电网中获得电能，只需要在适当时候补充燃料即可，因此也不存在电动汽车的通病——里程焦虑症。

而对于燃料电池来说，关键在于氢气的获取以及化学反应的催化剂。

氢气是极易燃的气体，虽然在常温下稳定性高，但是点燃或加热后很容易与其他物质发生化学反应，再加上重量轻，扩散速度快，因此氢气的存储和运输一直是燃料电池发展中的一大难题。不过，由于氢气的存储与运输与燃油有着异曲同工之处，在发展初期，可以通过改造加油站为加气站，因此，在这一点上，相比电动汽车需要建立全新的充电站，也并非全然是劣势。

众所周知，氢气最简单的获取方式即是电解水，而电解水的方式虽然简单，却要耗费大量的电能。对于燃料电池而言，先是电解水获得氢气，再用氢气作为燃料去发电，貌似是走了个弯路，人们也对能量的转换效率打了个问号，最常听到的言论就是氢气的制造所耗费的能量要远大于其能产生的能量。

最后的难题就在于使用的催化剂上。氢气的氧化反应与氧气的还原反应所使用的催化剂均为稀有金属铂。这个名字可能大家不太熟悉，但是它的俗称想必很多人都不会陌生——白金。在自然界中，白金是比黄金还稀少的存在，常作为贵重首饰的材料，因此，燃料电池的成本也因为铂的存在而水涨船高。

正是这些因素的存在，让燃料电池汽车一直游走在市场的边缘。经历了九年的发展，燃料电池汽车再度拨云见日。而这之中，尤以丰田对燃料电池汽车最为坚持。如果将燃料电池车的问世比作西天取经的话，那么燃料电池的这些劣势就是取经路上的妖魔鬼怪，现在，就来看看，“大师兄”丰田是如何用七十二般变化来应对这八十一种磨难的吧。

基础设施的障碍

氢气分子尺寸小，易渗漏，而且可燃性高，这种物理特性决定了其储存和运输极为困难：既要保证不会造成过多的损耗，也要保证整个过程的安全性。

早期由于燃料电池技术的局限，氢气必须以液态的形式进行存储。而在标准大气压下，氢气在零下253℃时，才会以液态形式存在，因此必须使用特殊的“保温”容器来存储液态氢。液态氢极易气化，因此曾经发生过燃料电池汽车停放时间较长后，氢气箱就变得空空荡荡的现象。

丰田的燃料电池汽车上配置了一对“三型”塑料氢气储气罐，其罐内压强为1万磅/平方英寸，为保证罐体强度，丰田公司用碳纤维材料作为增强材料来包裹气罐外部。

丰田FCHV-adv燃料电池概念车

在安全性上，为了让新款氢燃料电池汽车达到美国汽车工程师学会制定的标准，丰田曾对燃料电池汽车进行了多次碰撞测试。其设计原则是，即便在氢气输送管因交通事故或其他原因发生破裂时，也要保证车内乘员的安全。

同时，在丰田的燃料电池车上也安装了一个氢气的紧急排放装置。出现紧急情况时，能够在几分钟内将可燃部件内残留的氢气全部放光。

净能量的失败者？

几乎每一次有燃料电池的消息发布时，都会有插电式汽车的拥趸者回应，制造氢气所耗费的能量要远远大于氢气所产生的能量。这个说法，对于燃料电池来说，就略有些不公平了，因此对于汽油或者其他类型的能源，从来没有提到过这两者之间的比较。而事物之间的比较，应该建立在同一基础之上。

“不管是内燃机产生的热能、电池中的电能，还是燃料电池产生的电能，与制造这些能源耗费的能量相比，都是要少的，”丰田技术中心的首席工程师Matt McClory在回应时说到，“而这个过程是符合能量定律的。在能量变化过程中，都会存在损耗，转换的过程越多，损耗的也就越多。这对于任何一种形式的动力系统来说，都是一样的。”

事实上是，电解水氢气的过程确实需要耗费大量的能量，制造一千克的氢气就要消耗50-60度电，在丰田的FCHV-adv车上能储存6千克的氢气。相比于汽油高达80%-85%的生产效率，氢气的生产效率目前仅为50%-60%。不过随着技术的进步，这一数字也会逐渐提高。更重要的是，虽然氢气的生产效率低，但是其热效率高，而最终的45%的总热效率是电动汽车所不能比拟的。

不同燃料的效率比较

另外，对于天然气资源丰富的地区，也可以从天然气为原料来制造氢气。目前采用的技术为气态甲烷裂变技术，向天然气中注入高压水蒸汽来分解提取氢气。通过这种方式提取的氢气纯度很高，可直接用于燃料电池汽车。

居高不下的成本战

我们已经知道，制造燃料电池需要使用非常昂贵的铂金属。经过长年累月的研究，至今也没有找到铂金属的合格替代品，这让燃料电池的成本一直居高不下。

虽然目前并没有找到比铂金属更合适或者与铂金属相当的替代材料，但是降低成本并非只有这一个办法。

丰田在制造燃料电池催化剂的工艺上取得了很大的进步，通过将铂金属镀到催化剂的表面，大幅度降低了铂金属的使用量，也就降低了燃料电池的成本。

而且，目前丰田燃料电池汽车上的铂金属含量与清洁柴油车的催化剂中使用的铂金属含量基本相当，未来有可能将燃料电池的铂金属含量降至低于清洁柴油汽车的水平。

基于此，丰田称燃料电池汽车的售价不会高于5万美元（折合人民币约30万元），虽然依然很高，但是相比于曾经100万美元的单价，已经有了相当大的进步。而且相比纯电动车，这个价格已经占据了优势。

燃料电池另外的成本来自于氢气站的建设。然而，前文也提到过，相比于电动汽车，燃料电池车在这方面同样存在优势：

第一，初期的加气站可以通过加油站改造而来，而电动汽车的充电站和充电桩都需要另建；

第二，初期的加气站每天预计可以给50辆燃料电池车补充氢气，而加气站具有可扩展性，随着规模的增大，最终加气站可以达到每天给上千辆的燃料电池车加氢，也就是说平均每一千辆燃料电池车才配备一个加气站，而平均每辆电动汽车却需要配备1.5个充电器。

小结：