[汽車之家 電動車技術(shù)]  燃料電池技術(shù)并不是什么新鮮技術(shù)，其基本原理在19世紀(jì)末就已被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了，而其被應(yīng)用于車輛之上則是在上世紀(jì)60年代末。當(dāng)時，燃料電池汽車的性能和制造成本都無法與當(dāng)時搭載汽油發(fā)動機(jī)的汽車相媲美。隨著燃料電池技術(shù)的不斷改進(jìn)，加上汽車生產(chǎn)商在燃料電池汽車研發(fā)上的不斷投入，終于有兩款燃料電池車型于2014年實現(xiàn)了量產(chǎn)并推向市場，這兩款車型分別是現(xiàn)代Tucson FCV以及豐田Mirai。上述兩款車型的量產(chǎn)真正把人們帶進(jìn)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(fā)展歷程與現(xiàn)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(rèn)識。

● 2014年是量產(chǎn)型燃料電池汽車元年

　　2014年6月10日，量產(chǎn)型的現(xiàn)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(jìn)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(bǔ)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(xiàn)代Tucson FCV燃料電池車。

　　豐田Mirai在2014年12月15日上市，欲復(fù)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(lán)海。

　　相比現(xiàn)代Tucson FCV，豐田Mirai在動力性能和續(xù)航里程上都有一定的優(yōu)勢。兩車的動力系統(tǒng)輸出功率已達(dá)到甚至超越1.8升自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)的水平，加上超過400公里的續(xù)航里程，使兩車具備了較好的實用性。

● 量產(chǎn)型燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)

　　下面以豐田Mirai為例簡單介紹一下燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)。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(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能�！叭紵�”之后的氫氣會變成水，該反應(yīng)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(zhì)制造，分別位于底盤中部和尾部，總?cè)莘e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(chǎn)生的電能直接驅(qū)動位于發(fā)動機(jī)艙的電動機(jī)。電動機(jī)進(jìn)行能量回收獲得的電能將經(jīng)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(guān)鍵的底盤和電池系統(tǒng)的安裝，推薦大家觀看。

● 豐田Mirai底盤和電池系統(tǒng)的安裝過程

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● 供給氫氣和氧氣就能發(fā)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(chǎn)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(lán)天、沒有霧霾”的未來環(huán)保社會景象。而各位可能不知道的是，燃料電池技術(shù)的基本原理是在19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生了電能。陰極（圖中的“-”）和陽極（圖中的“+”）上發(fā)生的具體化學(xué)反應(yīng)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(chǔ)。

　　現(xiàn)在最新的燃料電池汽車大多采用質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱為“PEMFC”），結(jié)構(gòu)示意圖可參看上圖。圖中，陽極為氫燃料發(fā)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(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)傳導(dǎo)氫離子向陰極轉(zhuǎn)移。雖然質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)比William Robert Grove的氣體電極電池晚出現(xiàn)一百多年，但其內(nèi)在化學(xué)反應(yīng)原理是一致的。

　　我想絕大部分消費(fèi)者都不會想要拆開自己的燃料電池車的燃料電池看看內(nèi)部是如何工作的。對于普通消費(fèi)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(fā)電后的產(chǎn)物為無污染的水即可。

● 燃料電池技術(shù)的實用化

　　20世紀(jì)50年代，GE（通用電氣）資助了PEMFC質(zhì)子交換膜燃料電池的研究。上世紀(jì)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(shù)。

　　初期的民用燃料電池發(fā)電效率、輸出功率、使用壽命、體積等性能參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上當(dāng)時的內(nèi)燃機(jī)，沒有出現(xiàn)量產(chǎn)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(yīng)用于民用領(lǐng)域，燃料電池生產(chǎn)商看到了市場前景，愿意投入資源進(jìn)行開發(fā)，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(shù)的發(fā)展浪潮也催生出了如PLUG、Ballard、FuelCell等世界知名燃料電池供應(yīng)商。

● 燃料電池汽車熱潮的到來

　　90年代初，質(zhì)子交換膜燃料電池在實用化方面取得長足進(jìn)步。采用鉑金屬作為催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池具有發(fā)電效率高、輸出比功率高（高達(dá)0.5-1.5瓦/平方厘米，該數(shù)值越大表示產(chǎn)生一定的功率所采用的質(zhì)子交換膜面積越小，燃料電池體積越小）、壽命長、噪音低、可室溫啟動等諸多優(yōu)點，為該技術(shù)應(yīng)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(shù)實力的燃料電池汽車產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)。美國時代周刊在1995年將燃料電池汽車列為21世紀(jì)十大高新技術(shù)之首。日本和德國等發(fā)達(dá)國家開始投巨資發(fā)展燃料電池技術(shù)。這種完全零排放的燃料電池技術(shù)對于各大汽車生產(chǎn)廠商而言，是一片極具潛力的產(chǎn)業(yè)藍(lán)海。

　　對于燃料電池的自主研發(fā)，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(jìn)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(jīng)過六年多的量產(chǎn)化過程，豐田Mirai于2014年12月15日在日本本土正式上市�，F(xiàn)任日本首相安倍晉三為提振日本經(jīng)濟(jì)，大力支持燃料電池汽車及燃料電池產(chǎn)業(yè)，并加大了對上述產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)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(xiàn)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(bǔ)貼及稅費(fèi)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(fèi)使用專利的企業(yè)，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(lǐng)域的企業(yè)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(dāng)其他企業(yè)都采用豐田的專利來制造自己的燃料電池汽車，當(dāng)有一天豐田的技術(shù)升級了，但技術(shù)不開放，那原本使用了免費(fèi)專利的那些企業(yè)只能向豐田購買專利才能升級自己的產(chǎn)品。再次，通過開放專利，讓更多企業(yè)都沿著豐田燃料電池技術(shù)的路子去開發(fā)燃料電池汽車產(chǎn)品，這就讓采用其他技術(shù)路線的企業(yè)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(chǎn)品大多處于試驗階段，暫時未有量產(chǎn)上市的消息。

● 燃料電池汽車優(yōu)勢暫未能完全體現(xiàn)

　　燃料電池汽車零排放無污染，可以說是環(huán)保汽車的終極形態(tài)。但是現(xiàn)階段其燃料（氫氣）的大規(guī)模環(huán)保制備技術(shù)并未十分成熟。傳統(tǒng)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(fā)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是制約燃料電池汽車發(fā)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)及氫氣制備技術(shù)這兩方面對燃料電池汽車的普及有著至關(guān)重要的影響。

　　和現(xiàn)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(huán)境并未成熟，其優(yōu)勢還未能完全體現(xiàn)�，F(xiàn)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(yōu)缺點可參見下圖：

　　在中國，由于充電樁和加氫站這兩項設(shè)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(fā)展。作為極力主張打造氫能源社會的日本，積極開發(fā)利用可再生資源制氫的技術(shù)并加大加氫站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)已成為拉動日本經(jīng)濟(jì)和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級的一個重要方向。

● 強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)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(chǎn)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(fā)以保證自身在燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域不至于落后太多。

　　這種強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的格局以及團(tuán)隊之間的競爭也將加速燃料電池汽車的量產(chǎn)化和普及化進(jìn)程。其實，研究燃料電池汽車的整車廠商遠(yuǎn)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(lǐng)域有所涉獵。所不同的是，并不是所有廠商都能把研發(fā)成果推廣至量產(chǎn)產(chǎn)品之上。

● 燃料電池汽車在質(zhì)疑聲中成長

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

　　大眾汽車集團(tuán)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(jīng)濟(jì)可行性及環(huán)境安全問題提出質(zhì)疑。他們認(rèn)為豐田在混合動力/插電式混合動力汽車市場發(fā)展良好，為一項經(jīng)濟(jì)可行性未得到驗證的技術(shù)投入過多資源會削弱其核心競爭力。

　　現(xiàn)任豐田汽車總裁豐田章男面對質(zhì)疑，不以為然。他認(rèn)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(fā)展的空間。17年前，業(yè)界對豐田普銳斯（1997年12月上市）提出了很多質(zhì)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(huán)保車型。豐田普銳斯能成功，豐田Mirai就有成功的機(jī)會！

　　豐田汽車的堅持與執(zhí)著加上本屆日本政府大力支持燃料電池汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，為燃料電池汽車在日本普及鋪平了道路。日本或?qū)⒊蔀槭澜缟献钕绕占叭剂想姵仄�車的國家之一�?/p>

● 燃料電池汽車在中國

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

　　從資料來看，我國的燃料電池汽車研發(fā)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(chǎn)產(chǎn)品的車型并不多。大多數(shù)展示車只作為大型會議的賓客接送車之用，普及程度相當(dāng)?shù)�。這與國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和政策取向不無關(guān)系。

　　總結(jié)：在新能源汽車行業(yè)的紛紛擾擾中，豐田Mirai和現(xiàn)代Tucson FCV實現(xiàn)量產(chǎn)，把人們帶進(jìn)了燃料電池汽車的新紀(jì)元。伴隨著氫燃料制備技術(shù)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?qū)⒁慌e成功，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)迎來更新?lián)Q代、重新洗牌的時代。否則，燃料電池汽車將繼續(xù)是汽車行業(yè)里的少數(shù)派，被更新的技術(shù)取代，成為時代的孤兒。無論如何，作為一個有遠(yuǎn)見、有膽識、有自信的企業(yè)家，既然在燃料電池汽車領(lǐng)域看到了曙光，又怎能放棄孤注一擲的機(jī)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）