燃料電池汽車的前世今生

1838年，德國化學家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班提出了燃料電池的原理。

1991年，羅杰·比林斯開發了世界上第一個汽車燃料電池。

1992年，在政府的支持下，各國汽車制造商開始大力發展燃料電池汽車；

1994年，世界上第一輛燃料電池汽車梅賽德斯-奔馳NECARI問世。

2013年，豐田在東京車展上展出了FCV概念車，并于2015年宣布了生產版本。

單從這些短短的生產線，我們無法知道這輛即將量產的燃料電池汽車經歷了怎樣的風雨。然而，我們只能從時間上看到冰山一角。從汽車燃料電池的出現到第一輛汽車的出現只用了三年時間，但從第一輛燃料電池汽車的出現到一輛能夠給出特定上市時間的汽車只用了九年時間。

在這九年里，燃料電池汽車經歷了幾次起起落落。每隔一段時間，燃料電池汽車就會在某項技術上取得重大突破，刷出存在感。然而，那些懸而未決的問題總是讓人們對他產生懷疑，而不是支持他，因此他們被混合動力和純電動汽車的爭論所推波助瀾。

以豐田為代表的汽車制造商越來越沮喪。除了豐田明確的時間表外，寶馬還與豐田簽署了合作協議，共同推進燃料電池研究；本田還將于2015年推出下一代FCX Clarity；現代汽車計劃明年春天在加州啟動ix35租賃項目；福特、戴姆勒和日產已經聯合，最初的上市時間定在2017年；最早進入燃料電池領域的通用汽車也與本田聯手，產品將于2015-2017年左右問世。

氫和氧之間的“定年”

從結構上講，燃料電池汽車的動力系統與混合動力汽車非常相似，但不同之處在于混合動力汽車的發動機被燃料電池堆取代；

本質上，燃料電池汽車更類似于內燃機汽車，不同之處在于內燃機汽車將熱能轉化為機械能來驅動汽車，而燃料電池汽車則通過燃料電池發電，然后將電能轉化為機械能量。

燃料電池的工作原理很簡單。燃料電池由三個相鄰部分組成：陽極、電解質和陰極。在兩個相鄰的部分之間，將發生化學反應，氫氣將在陽極發生氧化反應，氧氣將在陰極發生還原反應，從而消耗燃料，產生電流，并驅動系統上負載的電氣設備，包括電機、車載設備和部件。

燃料電池原理

為了提供所需的輸出能量，在汽車中使用由燃料電池組成的燃料電池堆。與電動汽車中的電池相比，燃料電池組在重量上具有很大優勢。此外，由于燃料電池汽車自帶發電設備，不需要從電網獲取電力，只需要在適當的時候補充燃料，因此不存在電動車里程焦慮的普遍問題。

對于燃料電池來說，關鍵在于氫氣和化學反應催化劑的獲取。

氫氣是一種極易燃燒的氣體。雖然它在室溫下具有很高的穩定性，但在被點燃或加熱后很容易與其他物質發生反應。此外，它重量輕，擴散快，因此氫氣的儲存和運輸一直是燃料電池發展中的一個主要問題。然而，由于氫氣的儲存和運輸與燃料油相似，在開發初期，加油站可以改造成加油站。因此，與電動汽車相比，建立一個全新的充電站并不完全是一個缺點。

眾所周知，獲得氫氣最簡單的方法是電解水，盡管很簡單，但消耗大量電力。對于燃料電池來說，電解水以獲得氫氣，然后使用氫氣作為燃料發電似乎是一條彎路。人們也對能源轉換效率提出了質疑。最常見的說法是，生產氫氣所消耗的能量遠遠大于其所能產生的能量。

最后的問題在于所使用的催化劑。在氫的氧化反應和氧的還原反應中使用的催化劑是稀有金屬鉑。這個名字可能大家并不熟悉，但它的通用名稱對許多人來說并不陌生。在自然界中，鉑比黃金更稀有，它經常被用作制作珍貴珠寶的材料。因此，由于鉑的存在，燃料電池的成本正在上升。

正是這些因素使燃料電池汽車處于市場的邊緣。經過九年的發展，燃料電池汽車再次重見天日。其中，豐田在燃料電池汽車領域表現最為執著。如果把燃料電池汽車的出現比作向西方學習，那么燃料電池的這些缺點就是向西方學習路上的怪物。下面，我們就來看看“老大哥”豐田是如何用72個變化來應對這81個磨難的。

基礎設施障礙

氫氣分子量小、易泄漏、易燃性高等物理特性使其儲存和運輸極為困難：必須確保其不會造成過度損失，并確保整個過程的安全。

早期，由于燃料電池技術的限制，氫氣必須以液體形式儲存。然而，在標準大氣壓下，氫氣只有在MINUS 253℃時才會以液體形式存在，因此必須使用特殊的“保溫”容器來儲存液氫。液氫非常容易蒸發，因此存在燃料電池車輛停放很長時間后氫罐變空的現象。

豐田的燃料電池汽車配備了一對“三型”塑料氫氣罐，罐內壓力為10000磅/平方英寸。為了確保油箱的強度，豐田使用碳纖維材料作為加強材料來包裹油箱的外部。

豐田FCHV adv燃料電池概念車

在安全性方面，為了使新型氫燃料電池汽車達到美國汽車工程師協會制定的標準，豐田對燃料電池汽車進行了多次碰撞測試。其設計原則是，即使由于交通事故或其他原因導致氫氣管道破裂，也能確保車內乘員的安全。

與此同時，一個……

豐田的燃料電池汽車安裝了緊急氫氣排放裝置。在緊急情況下，可燃部件中的殘余氫氣可以在幾分鐘內完全排出。

凈能量損失者？

幾乎每次燃料電池的消息發布，插電式汽車的粉絲都會做出回應，而制造氫氣所消耗的能量遠遠大于氫氣產生的能量。這種說法，對于燃料電池來說，有點不公平，所以對于汽油或其他類型的能源，兩者之間的比較從未被提及。事物之間的比較應該建立在相同的基礎上。

豐田技術中心總工程師Matt McClory回應稱：“無論是內燃機產生的熱能、電池產生的電能還是燃料電池產生的電力，都低于制造這些能源所消耗的能量。”，“這個過程符合能量定律。在能量變化的過程中，會有損失，轉換過程越多，損失就越多。這對任何形式的電力系統都是一樣的。”

事實上，電解水和氫氣的過程確實需要消耗大量的能量。制造一公斤氫氣需要50-60千瓦時，豐田FCHV-adv可以儲存6公斤氫氣。與高達80%-85%的汽油生產效率相比，目前氫氣的生產效率僅為50%-60%。然而，隨著技術的進步，這一數字將逐漸增加。更重要的是，盡管氫氣的生產效率較低，但其熱效率較高，最終45%的總熱效率是電動汽車無法比擬的。

不同燃料的效率比較

此外，對于天然氣資源豐富的地區，也可以用天然氣作為原料生產氫氣。目前采用的技術是氣態甲烷裂變技術，將高壓蒸汽注入天然氣中分解提取氫氣。以這種方式提取的氫氣具有高純度，可以直接用于燃料電池汽車。

高成本戰爭

我們已經知道，制造燃料電池需要使用非常昂貴的鉑金屬。經過多年的研究，到目前為止還沒有找到合格的鉑替代品，這使得燃料電池的成本居高不下。

盡管沒有比鉑金屬更適合或等效的替代材料，但這并不是降低成本的唯一方法。

豐田在制造燃料電池催化劑的過程中取得了巨大進展。通過在催化劑表面鍍鉑金屬，大大減少了鉑金屬的使用，這也降低了燃料電池的成本。

此外，目前豐田燃料電池汽車中的鉑金屬含量與清潔柴油車催化劑中使用的鉑金屬成分基本相同，未來有可能將燃料電池中的鉑含量降低到低于清潔柴油車的水平。

基于此，豐田表示，燃料電池汽車的價格不會高于5萬美元（約合人民幣30萬元）。盡管它仍然很高，但與100萬美元的單價相比，它已經取得了相當大的進步。而且，與純電動汽車相比，這個價格已經占據了優勢。

燃料電池的額外成本來自于氫站的建設。然而，如上所述，與電動汽車相比，燃料電池汽車在這方面也具有優勢：

首先，最初的加油站可以由加油站改造而成，而電動汽車的充電站和充電樁需要分開建造；

其次，最初的加油站預計每天為50輛燃料電池汽車補充氫氣，但加油站是可擴展的。隨著規模的增加，最終的加油站每天可以為數千輛燃料電池汽車加油，這意味著平均每千輛燃料電池車輛配備一個加油站，而每輛電動汽車平均需要配備1.5個充電器。

當燃料電池生產汽車正式上市時，這相當于人們歷經磨難，獲得了真相。然而，取經只是第一步，傳播真經和獲得人們的信仰才是更重要的一步。

盡管面對電動汽車，燃料電池汽車并不處于劣勢。然而，電動汽車也在突飛猛進地發展。當純電動汽車迅速成熟，續航里程延長，充電時間在一定程度上縮短時，燃料電池汽車是否仍具有競爭優勢還不得而知，更不用說已經被市場認可和接受的混合動力汽車了。

當基礎設施同樣完善，能源危機越來越嚴重時，燃油車和電動汽車就站在了同一高度。到那時，將燃料電池汽車推向主流的因素是什么？燃料電池的優勢會產生這種影響，并成為消費者心中根深蒂固的習慣嗎？1838年，德國化學家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班提出了燃料電池的原理。

1991年，羅杰·比林斯開發了世界上第一個汽車燃料電池。

1992年，在政府的支持下，各國汽車制造商開始大力發展燃料電池汽車；

1994年，世界上第一輛燃料電池汽車梅賽德斯-奔馳NECARI問世。

2013年，豐田在東京車展上展出了FCV概念車，并于2015年宣布了生產版本。

單從這些短短的生產線，我們無法知道這輛即將量產的燃料電池汽車經歷了怎樣的風雨。然而，我們只能從時間上看到冰山一角。從汽車燃料電池的出現到第一輛汽車的出現只用了三年時間，但從第一輛燃料電池汽車的出現到一輛能夠給出特定上市時間的汽車只用了九年時間。

在這九年里，燃料電池汽車經歷了幾次起起落落。每隔一段時間，燃料電池汽車就會在某項技術上取得重大突破，刷出存在感。然而，那些懸而未決的問題總是讓人們對他產生懷疑，而不是支持他，因此他們被混合動力和純電動汽車的爭論所推波助瀾。

以豐田為代表的汽車制造商越來越沮喪。除了豐田明確的時間表外，寶馬還與豐田簽署了合作協議，共同推進燃料電池研究；本田還將于2015年推出下一代FCX Clarity；現代汽車計劃明年春天在加州啟動ix35租賃項目；福特、戴姆勒和日產已經聯合，最初的上市時間定在2017年；最早進入燃料電池領域的通用汽車也與本田聯手，產品將于2015-2017年左右問世。

氫和氧之間的“定年”

從結構上講，燃料電池汽車的動力系統與混合動力汽車非常相似，但不同之處在于混合動力汽車的發動機被燃料電池堆取代；

本質上，燃料電池汽車更類似于內燃機汽車，不同之處在于內燃機汽車將熱能轉化為機械能來驅動汽車，而燃料電池汽車則通過燃料電池發電，然后將電能轉化為機械能量。

燃料電池的工作原理很簡單。燃料電池由三個相鄰部分組成：陽極、電解質和陰極。在兩個相鄰的部分之間，將發生化學反應，氫氣將在陽極發生氧化反應，氧氣將在陰極發生還原反應，從而消耗燃料，產生電流，并驅動系統上負載的電氣設備，包括電機、車載設備和部件。

燃料電池原理

為了提供所需的輸出能量，在汽車中使用由燃料電池組成的燃料電池堆。與電動汽車中的電池相比，燃料電池組在重量上具有很大優勢。此外，由于燃料電池汽車自帶發電設備，不需要從電網獲取電力，只需要在適當的時候補充燃料，因此不存在電動車里程焦慮的普遍問題。

對于燃料電池來說，關鍵在于氫氣和化學反應催化劑的獲取。

氫氣是一種極易燃燒的氣體。雖然它在室溫下具有很高的穩定性，但在被點燃或加熱后很容易與其他物質發生反應。此外，它重量輕，擴散快，因此氫氣的儲存和運輸一直是燃料電池發展中的一個主要問題。然而，由于氫氣的儲存和運輸與燃料油相似，在開發初期，加油站可以改造成加油站。因此，與電動汽車相比，建立一個全新的充電站并不完全是一個缺點。

眾所周知，獲得氫氣最簡單的方法是電解水，盡管很簡單，但消耗大量電力。對于燃料電池來說，電解水以獲得氫氣，然后使用氫氣作為燃料發電似乎是一條彎路。人們也對能源轉換效率提出了質疑。最常見的說法是，生產氫氣所消耗的能量遠遠大于其所能產生的能量。

最后的問題在于所使用的催化劑。在氫的氧化反應和氧的還原反應中使用的催化劑是稀有金屬鉑。這個名字可能大家并不熟悉，但它的通用名稱對許多人來說并不陌生。在自然界中，鉑比黃金更稀有，它經常被用作制作珍貴珠寶的材料。因此，由于鉑的存在，燃料電池的成本正在上升。

正是這些因素使燃料電池汽車處于市場的邊緣。經過九年的發展，燃料電池汽車再次重見天日。其中，豐田在燃料電池汽車領域表現最為執著。如果把燃料電池汽車的出現比作向西方學習，那么燃料電池的這些缺點就是向西方學習路上的怪物。下面，我們就來看看“老大哥”豐田是如何用72個變化來應對這81個磨難的。

基礎設施障礙

氫氣分子量小、易泄漏、易燃性高等物理特性使其儲存和運輸極為困難：必須確保其不會造成過度損失，并確保整個過程的安全。

早期，由于燃料電池技術的限制，氫氣必須以液體形式儲存。然而，在標準大氣壓下，氫氣只有在MINUS 253℃時才會以液體形式存在，因此必須使用特殊的“保溫”容器來儲存液氫。液氫非常容易蒸發，因此存在燃料電池車輛停放很長時間后氫罐變空的現象。

豐田的燃料電池汽車配備了一對“三型”塑料氫氣罐，罐內壓力為10000磅/平方英寸。為了確保油箱的強度，豐田使用碳纖維材料作為加強材料來包裹油箱的外部。

豐田FCHV adv燃料電池概念車

在安全性方面，為了使新型氫燃料電池汽車達到美國汽車工程師協會制定的標準，豐田對燃料電池汽車進行了多次碰撞測試。其設計原則是，即使由于交通事故或其他原因導致氫氣管道破裂，也能確保車內乘員的安全。

與此同時，一個……

豐田的燃料電池汽車安裝了緊急氫氣排放裝置。在緊急情況下，可燃部件中的殘余氫氣可以在幾分鐘內完全排出。

凈能量損失者？

幾乎每次燃料電池的消息發布，插電式汽車的粉絲都會做出回應，而制造氫氣所消耗的能量遠遠大于氫氣產生的能量。這種說法，對于燃料電池來說，有點不公平，所以對于汽油或其他類型的能源，兩者之間的比較從未被提及。事物之間的比較應該建立在相同的基礎上。

豐田技術中心總工程師Matt McClory回應稱：“無論是內燃機產生的熱能、電池產生的電能還是燃料電池產生的電力，都低于制造這些能源所消耗的能量。”，“這個過程符合能量定律。在能量變化的過程中，會有損失，轉換過程越多，損失就越多。這對任何形式的電力系統都是一樣的。”

事實上，電解水和氫氣的過程確實需要消耗大量的能量。制造一公斤氫氣需要50-60千瓦時，豐田FCHV-adv可以儲存6公斤氫氣。與高達80%-85%的汽油生產效率相比，目前氫氣的生產效率僅為50%-60%。然而，隨著技術的進步，這一數字將逐漸增加。更重要的是，盡管氫氣的生產效率較低，但其熱效率較高，最終45%的總熱效率是電動汽車無法比擬的。

不同燃料的效率比較

此外，對于天然氣資源豐富的地區，也可以用天然氣作為原料生產氫氣。目前采用的技術是氣態甲烷裂變技術，將高壓蒸汽注入天然氣中分解提取氫氣。以這種方式提取的氫氣具有高純度，可以直接用于燃料電池汽車。

高成本戰爭

我們已經知道，制造燃料電池需要使用非常昂貴的鉑金屬。經過多年的研究，到目前為止還沒有找到合格的鉑替代品，這使得燃料電池的成本居高不下。

盡管沒有比鉑金屬更適合或等效的替代材料，但這并不是降低成本的唯一方法。

豐田在制造燃料電池催化劑的過程中取得了巨大進展。通過在催化劑表面鍍鉑金屬，大大減少了鉑金屬的使用，這也降低了燃料電池的成本。

此外，目前豐田燃料電池汽車中的鉑金屬含量與清潔柴油車催化劑中使用的鉑金屬成分基本相同，未來有可能將燃料電池中的鉑含量降低到低于清潔柴油車的水平。

基于此，豐田表示，燃料電池汽車的價格不會高于5萬美元（約合人民幣30萬元）。盡管它仍然很高，但與100萬美元的單價相比，它已經取得了相當大的進步。而且，與純電動汽車相比，這個價格已經占據了優勢。

燃料電池的額外成本來自于氫站的建設。然而，如上所述，與電動汽車相比，燃料電池汽車在這方面也具有優勢：

首先，最初的加油站可以由加油站改造而成，而電動汽車的充電站和充電樁需要分開建造；

其次，最初的加油站預計每天為50輛燃料電池汽車補充氫氣，但加油站是可擴展的。隨著規模的增加，最終的加油站每天可以為數千輛燃料電池汽車加油，這意味著平均每千輛燃料電池車輛配備一個加油站，而每輛電動汽車平均需要配備1.5個充電器。

當燃料電池生產汽車正式上市時，這相當于人們歷經磨難，獲得了真相。然而，取經只是第一步，傳播真經和獲得人們的信仰才是更重要的一步。

盡管面對電動汽車，燃料電池汽車并不處于劣勢。然而，電動汽車也在突飛猛進地發展。當純電動汽車迅速成熟，續航里程延長，充電時間在一定程度上縮短時，燃料電池汽車是否仍具有競爭優勢還不得而知，更不用說已經被市場認可和接受的混合動力汽車了。

當基礎設施同樣完善，能源危機越來越嚴重時，燃油車和電動汽車就站在了同一高度。到那時，將燃料電池汽車推向主流的因素是什么？燃料電池的優勢會產生這種影響，并成為消費者心中根深蒂固的習慣嗎？

標簽：豐田本田奔馳寶馬福特

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