燃料电池技术的发展
[汽车之家 电动车技术] 燃料电池技术并不是什么新鲜技术，其基本原理在19世纪末就已被科学家发现了，而其被应用于车辆之上则是在上世纪60年代末。当时，燃料电池汽车的性能和制造成本都无法与当时搭载汽油发动机的汽车相媲美。随着燃料电池技术的不断改进，加上汽车生产商在燃料电池汽车研发上的不断投入，终于有两款燃料电池车型于2014年实现了量产并推向市场，这两款车型分别是现代Tucson FCV以及丰田Mirai。上述两款车型的量产真正把人们带进了燃料电池汽车的新时代。本文将为大家介绍一下燃料电池汽车的发展历程与现状，希望大家能对燃料电池汽车这种新鲜事物有一个更深入的认识。
● 2014年是量产型燃料电池汽车元年
2014年6月10日，量产型的现代Tucson FCV正式登陆美国加州市场。该车型通过租赁的方式以499美元（约合人民币3098元）的月租进行出租。该车于今年5月份在英国上市，售价为53105英镑，减去15000英镑的政府补贴，用户只需用38105英镑（约合人民币37.1万元）即可买到一台现代Tucson FCV燃料电池车。
丰田Mirai在2014年12月15日上市，欲复制丰田普锐斯的成功。“Mirai”在日语中意为“未来”。丰田寄予Mirai车型的是其对新能源汽车未来的憧憬。在混合动力汽车市场获得一定成绩的丰田欲借助Mirai车型开拓燃料电池汽车这片新蓝海。
相比现代Tucson FCV，丰田Mirai在动力性能和续航里程上都有一定的优势。两车的动力系统输出功率已达到甚至超越1.8升自然吸气汽油发动机的水平，加上超过400公里的续航里程，使两车具备了较好的实用性。
● 量产型燃料电池汽车的结构
下面以丰田Mirai为例简单介绍一下燃料电池汽车的结构。丰田Mirai是以氢气为燃料的。在燃料电池中，氢气在催化剂的作用下与氧气发生化学反应产生电能。“燃烧”之后的氢气会变成水，该反应过程理论上是无污染的。丰田Mirai的氢燃料存储在高压储氢罐中，该储氢罐采用了碳纤维材质制造，分别位于底盘中部和尾部，总容积为122.4升，充满一次氢气约需3分钟。
燃料电池位于前排座椅下方。燃料电池产生的电能直接驱动位于发动机舱的电动机。电动机进行能量回收获得的电能将经过动力控制单元储存在位于车辆尾部的动力电池中。
下面的视频为大家展示了丰田Mirai组装过程中最为关键的底盘和电池系统的安装，推荐大家观看。
● 丰田Mirai底盘和电池系统的安装过程
想看更多关于丰田Mirai制造过程的视频，请点击以下的超链接进行查看：装配线总览以及零部件挑选、车辆配饰过程展示、最后装配过程展示、质控和质检展示。
● 供给氢气和氧气就能发电的神奇装置
只要给燃料电池不断地供给氢气和氧气，就能源源不断地获得电能，而其产物理论上是完全无污染的水。从丰田Mirai的身上，我们似乎能窥见“只有蓝天、没有雾霾”的未来环保社会景象。而各位可能不知道的是，燃料电池技术的基本原理是在19世纪末发现的。
上图装置①是气体电极电池，装置②是一个电解水的装置。该实验装置是为了验证气体电极电池产生了电能。阴极（图中的“-”）和阳极（图中的“+”）上发生的具体化学反应方程式如上图所示。气体电极电池的工作原理为燃料电池的诞生奠定了理论基础。
现在最新的燃料电池汽车大多采用质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称为“PEMFC”），结构示意图可参看上图。图中，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质传导氢离子向阴极转移。虽然质子交换膜燃料电池技术比William Robert Grove的气体电极电池晚出现一百多年，但其内在化学反应原理是一致的。
我想绝大部分消费者都不会想要拆开自己的燃料电池车的燃料电池看看内部是如何工作的。对于普通消费者来说，我们只需知道燃料电池汽车的燃料电池工作所需的燃料为氢气和氧气，发电后的产物为无污染的水即可。
● 燃料电池技术的实用化
20世纪50年代，GE（通用电气）资助了PEMFC质子交换膜燃料电池的研究。上世纪60年代，美国NASA（国家航空航天局）的“阿波罗登月计划”中就是采用燃料电池为太空船提供电力和饮用水的。可见，在那时候，燃料电池已是一种被验证的成熟技术。
初期的民用燃料电池发电效率、输出功率、使用寿命、体积等性能参数都远远比不上当时的内燃机，没有出现量产的燃料电池汽车也在情理之中。
正是因为燃料电池越来越多地应用于民用领域，燃料电池生产商看到了市场前景，愿意投入资源进行开发，逐步提升了燃料电池的效能并降低制造成本。燃料电池技术的发展浪潮也催生出了如PLUG、Ballard、FuelCell等世界知名燃料电池供应商。
燃料电池汽车热潮的到来
● 燃料电池汽车热潮的到来
90年代初，质子交换膜燃料电池在实用化方面取得长足进步。采用铂金属作为催化剂的质子交换膜燃料电池具有发电效率高、输出比功率高（高达0.5-1.5瓦/平方厘米，该数值越大表示产生一定的功率所采用的质子交换膜面积越小，燃料电池体积越小）、寿命长、噪音低、可室温启动等诸多优点，为该技术应用到汽车上铺平了道路。
此后，丰田、本田、通用等汽车厂商用于展示其技术实力的燃料电池汽车产品如雨后春笋般涌现。美国时代周刊在1995年将燃料电池汽车列为21世纪十大高新技术之首。日本和德国等发达国家开始投巨资发展燃料电池技术。这种完全零排放的燃料电池技术对于各大汽车生产厂商而言，是一片极具潜力的产业蓝海。
对于燃料电池的自主研发，丰田比戴姆勒-奔驰开始得更早。丰田在1992年就开始对燃料电池进行研究，这个研究项目几乎是与丰田普锐斯混动汽车项目同时展开的。
经过六年多的量产化过程，丰田Mirai于2014年12月15日在日本本土正式上市。现任日本首相安倍晋三为提振日本经济，大力支持燃料电池汽车及燃料电池产业，并加大了对上述产业的补贴力度。
在十几年前，一台燃料电池汽车的造价接近1.2亿日元（折合人民币约620万元），而现在的丰田Mirai只要723.6万日元（日本本土售价），除去225.3万日元的政府补贴及税费减免，用户仅需支付498.3万日元（折合人民币约25.8万元）即可把一台完全零排放的丰田Mirai开回家。
丰田开放燃料电池专利后，受惠的不只是免费使用专利的企业，丰田也从中获益。通过开放专利，丰田就能把有意投身燃料电池汽车领域的企业纳入到自己的阵营，壮大自己的势力，共同把市场做大。其次，当其他企业都采用丰田的专利来制造自己的燃料电池汽车，当有一天丰田的技术升级了，但技术不开放，那原本使用了免费专利的那些企业只能向丰田购买专利才能升级自己的产品。再次，通过开放专利，让更多企业都沿着丰田燃料电池技术的路子去开发燃料电池汽车产品，这就让采用其他技术路线的企业遭到孤立并最终失去竞争力。
除了上面提到的几款车型外，其他厂商的燃料电池汽车产品大多处于试验阶段，暂时未有量产上市的消息。
● 燃料电池汽车优势暂未能完全体现
燃料电池汽车零排放无污染，可以说是环保汽车的终极形态。但是现阶段其燃料（氢气）的大规模环保制备技术并未十分成熟。传统的制氢工艺是通过电解水来获得氢气的。而如果用于电解水的电能来自于烧煤发电，便存在碳排放，燃料电池汽车便失去了其存在的意义。
除此以外，基础设施建设也是制约燃料电池汽车发展的障碍。没有人会买一台没地方添加燃料的汽车。所以基础设施建设及氢气制备技术这两方面对燃料电池汽车的普及有着至关重要的影响。
和现在市场上成熟的混合动力汽车相比起来，燃料电池汽车的使用环境并未成熟，其优势还未能完全体现。现阶段，混合动力汽车和纯电动汽车还将是市场的主流。燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车的优缺点可参见下图：
在中国，由于充电桩和加氢站这两项设施并不完善，极大地限制了纯电动汽车和燃料电池汽车在中国的发展。作为极力主张打造氢能源社会的日本，积极开发利用可再生资源制氢的技术并加大加氢站的基础设施建设现已成为拉动日本经济和促进产业升级的一个重要方向。
● 强强联合的格局
面对丰田这款Mirai燃料电池汽车所掀起的燃料电池汽车量产化浪潮，各大厂商岂能坐视不理，纷纷寻求合作伙伴，共同开发以保证自身在燃料电池汽车技术领域不至于落后太多。
这种强强联合的格局以及团队之间的竞争也将加速燃料电池汽车的量产化和普及化进程。其实，研究燃料电池汽车的整车厂商远不止上面提到的几家，但凡有点实力的厂商都在燃料电池领域有所涉猎。所不同的是，并不是所有厂商都能把研发成果推广至量产产品之上。
燃料电池汽车在质疑声中成长
● 燃料电池汽车在质疑声中成长
事物的发展总是波浪式前进和螺旋式上升的。燃料电池汽车相对于采用内燃机的传统汽车算是一个新颖的事物，它颠覆了汽车的传统动力源，在它来到这个世界伊始便一直受到各界的质疑。
大众汽车集团CEO马丁·文德恩（Martin Winterkorn）、特斯拉汽车CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）等车企高层均对于丰田Mirai燃料电池汽车的经济可行性及环境安全问题提出质疑。他们认为丰田在混合动力/插电式混合动力汽车市场发展良好，为一项经济可行性未得到验证的技术投入过多资源会削弱其核心竞争力。
现任丰田汽车总裁丰田章男面对质疑，不以为然。他认为，混合动力/插电式混合动力汽车和燃料电池汽车拥有共同发展的空间。17年前，业界对丰田普锐斯（1997年12月上市）提出了很多质疑。但17年过去了，普锐斯卖出了700万台（截至2014年6月），是汽车百年历史中卖得最多的单一车型及卖得最多的环保车型。丰田普锐斯能成功，丰田Mirai就有成功的机会！
丰田汽车的坚持与执着加上本届日本政府大力支持燃料电池汽车及相关产业，为燃料电池汽车在日本普及铺平了道路。日本或将成为世界上最先普及燃料电池汽车的国家之一。
● 燃料电池汽车在中国
在上世纪末，上海神力科技公司和大连新源动力公司承担了国家“九·五”重点863科技攻关计划的“质子交换膜燃料电池动力系统”的研制，并取得多项专利技术，并为同济和清华大学研制的燃料电池汽车配套燃料电池动力系统。
从资料来看，我国的燃料电池汽车研发其实是开展得还是比较早的，部分车企与高校合作也做出了一些展示车，其中包括轿车和大巴车，但最终形成量产产品的车型并不多。大多数展示车只作为大型会议的宾客接送车之用，普及程度相当低。这与国内基础设施和政策取向不无关系。
总结：在新能源汽车行业的纷纷扰扰中，丰田Mirai和现代Tucson FCV实现量产，把人们带进了燃料电池汽车的新纪元。伴随着氢燃料制备技术的迅速突破及燃料电池汽车的制造成本下降，燃料电池汽车革命或将一举成功，传统汽车产业迎来更新换代、重新洗牌的时代。否则，燃料电池汽车将继续是汽车行业里的少数派，被更新的技术取代，成为时代的孤儿。无论如何，作为一个有远见、有胆识、有自信的企业家，既然在燃料电池汽车领域看到了曙光，又怎能放弃孤注一掷的机会呢？或许燃料电池汽车的成功就在拐角的地方。（图/文 汽车之家 常庆林）
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