編譯/夏溦

燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀
——燃料電池汽車VS電池電動汽車，以及各大汽車制造商的行動

編譯/夏溦

燃料電池汽車被視為是電動汽車，但又與電動汽車存在著許多不同點。本文將首先闡述燃料電池汽車與電池電動汽車的異同點，隨后主要介紹幾個大的汽車制造商的燃料電池汽車發(fā)展情況，以讓讀者對目前全球燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀有一個全面的認識。

燃料電池汽車VS電動汽車

由于完全由電力驅(qū)動，燃料電池汽車被認為是電動汽車（EV），但兩者又存在著很多不同點。

首先，燃料電池與可充電電池相似。燃料電池和充電電池都是通過電化學，將物質(zhì)或化合物轉(zhuǎn)化為化學能源的裝置。充電電池和燃料電池中的電化學反應被控制，產(chǎn)生的污染物幾乎為零。這兩者之間的區(qū)別在于對燃料的存儲。充電電池將內(nèi)部存儲的有限數(shù)量的化合物轉(zhuǎn)化為電能。當被充電時，電池中為產(chǎn)生電能而消耗的化學物質(zhì)可以再重新生成。而燃料電池是將外部存儲的化合物轉(zhuǎn)化為電能，這一化合物通常是儲存在車載罐中的氫?？▋?nèi)基-梅隆大學的機械工程師Shawn Litster表示，使用燃料電池，可以將能量轉(zhuǎn)換從能量存儲中分離出來。

其次，在燃料電池車輛設計過程中，汽車制造商通過改變?nèi)剂想姵氐拇笮砜刂栖囕v的功率，通過改變氫燃料罐的大小來控制車上能量儲存量。這不同于可用的功率和能量都與電池尺寸密切相關的電池電動汽車。

另外，與其他電動汽車不同，燃料電池汽車的巡航范圍和加油過程都能與傳統(tǒng)汽車媲美。可以說，相比通過插電的方式來為電池充電的電池電動汽車，燃料電池汽車結(jié)合了快速、集中加油和更長的駕駛范圍，使得燃料電池特別適用于有長距離要求的大型車輛，或者是那些在家中無法插電充電的司機。但是，不同于燃料電池汽車，電池電動汽車可以使用現(xiàn)有的基礎設施來充電，雖然插電時間較長。

豐田公司對燃料電池的倡導，正是盡一切努力說明電動汽車和燃料電池汽車并不是相互排斥的，相反，它們將在一定范圍內(nèi)，被認為是“零排放”的一系列技術(shù)中共存，有互補優(yōu)勢。電池電動汽車可以在家里充電（或者越來越多的在工作地充電），經(jīng)?？梢岳矛F(xiàn)有的電力基礎設施。他們往往是方便、清潔、高效且低成本的轎車和艙蓋式汽車，適合城市通勤環(huán)境。而氫燃料電池汽車的加油方式與傳統(tǒng)汽車類似，與許多電池電動車輛相比，可以有更遠的行駛距離。當有合適的加油基礎設施時，燃料電池是較大車輛、較長行駛距離，以及缺乏家庭充電裝置的司機的一個很好的選擇。

可充電電池、燃料電池和內(nèi)燃機是不同的技術(shù)，電池電動汽車由可充電電池供電，燃料電池電動汽車主要依靠燃料電池供電，而內(nèi)燃機車輛依靠燃料的燃燒。下圖清晰地總結(jié)了燃料電池與充電電池和內(nèi)燃機機有什么區(qū)別。

各大汽車制造商的行動

早在1966年，通用汽車（GM）就開發(fā)了世界上第一輛燃料電池公路車輛——Chevrolet Electrovan。該車使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，行駛里程范圍約120英里，最高速度可達70英里/小時。由于成本過于高昂，該車只生產(chǎn)了一輛?，F(xiàn)在，隨著對燃料電池的關注，全球多家汽車制造商都有關于發(fā)展燃料電池汽車，以及將其商業(yè)化的計劃。表1列出了2008年以來發(fā)布的主要車型。

豐田 認識到氫氣作為一種清潔能源的巨大潛力，豐田汽車公司一直在積極開發(fā)和生產(chǎn)燃料電池汽車（FCV）。該公司相信，氫氣能幫助他們?yōu)槠嚨奈磥?00年做出貢獻。

豐田汽車通過氫氣實現(xiàn)可持續(xù)移動性的努力始于1992年，甚至早于Prius的發(fā)布。2002年，豐田汽車公司在日本和美國有限地銷售世界上第一批燃料電池汽車，Toyota FCHV。同時，豐田汽車公司將其混合動力汽車技術(shù)應用到燃料電池汽車的開發(fā)過程中。

2014年11月，豐田公司的燃料電池汽車Mirai（“Mirai”在日語中是未來的意思）在洛杉磯車展首次公開亮相，這是世界上第一個出現(xiàn)在大眾市場的燃料電池汽車。在日本，政府和企業(yè)客戶從2014年12月15日已經(jīng)開始可以購買豐田Mirai。在美國的銷售計劃于2015年秋天始于加利福尼亞州，隨后在2016年上半年擴散到東北部的五個州。在歐洲市場的銷售預定在2015年9月。針對此計劃，豐田公司計劃生產(chǎn)700輛Mirai用于支持其2015年全球銷售，其中400輛用于日本國內(nèi)銷售，200輛在美國，50到100輛在歐洲。

豐田Mirai使用豐田燃料電池系統(tǒng)（Toyota Fuel Cell System，TFCS），它以燃料電池技術(shù)和混合動力技術(shù)為特點，包括專有的由豐田開發(fā)的組件，如燃料電池組，燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器，和高壓儲氫罐。該系統(tǒng)比內(nèi)燃發(fā)動機更高效，并且行駛過程中不會排放二氧化碳或其他有害物質(zhì)。系統(tǒng)能在9秒內(nèi)讓Mirai的速度從0增到60英里，從25英里/小時到40英里/小時僅需要3秒。Mirai氫燃料電池電動汽車重新注滿氫氣需要3～5分鐘，滿箱情況下行駛距離達到300英里（約482公里），完全可以與傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機車輛媲美，預計燃油經(jīng)濟性約為60MPGe（等價油耗）。此外，在緊急情況下，Mirai可以作為一個大容量電源設備進行供電。它能提供約60千瓦時的電力，最大直流輸出功率為9kW。

同時，Mirai還具有適合下一代汽車的功能先進齊全的駕駛輔助和安全系統(tǒng)，如帶有毫米波雷達預碰撞系統(tǒng)（如果檢測到可能會發(fā)生碰撞，會通過警報或制動控制來幫助防止碰撞，或是減少碰撞損傷），車道偏離警告系統(tǒng)（使用攝像頭檢測白色或黃色車道標記，并在車輛將要偏離其車道時提醒司機），啟動控制（在換擋操作過程中，限制突然啟動或突然加速），和盲點監(jiān)視器（使用雷達來探測在相鄰車道的車輛，并在改變車道時幫助確認后視圖）。

在美國，Mirai的售價為5.75萬美元。另一種獲取方式是以每月499美元的價格租賃36個月，并在契約簽訂時預付3649美元。而聯(lián)邦政府和加利福尼亞州類似于電動汽車的優(yōu)惠政策會降低實際有效價格至4.5萬美元以下。豐田集團副總裁兼總經(jīng)理Bill Fay表示，公司希望到2017年底，在美國共出售3000輛Mirai。

表1：2008年以來發(fā)布的主要燃料電池汽車車型

本田 本田公司于2008年開始生產(chǎn)FCX Clarity，在日本和加利福尼亞南部的客戶可以租賃該車型。2014年，本田宣布停止生產(chǎn)FCX Clarity，而改為2015型號。從2008年到2014年，本田公司在美國共出租了45輛FCX Clarity。2015年1月，在底特律舉辦的北美國際汽車展上，本田展示了其燃料電池汽車概念。2015年6月15日，本田汽車公司表示，該公司計劃在未來幾年內(nèi)推出一款主流氫燃料電池車輛、一款新的插電式混合動力汽車以及一款新的電池電動汽車，而其推出新燃料電池汽車計劃是在2016年。

盡管美國氫燃料加注站的網(wǎng)絡有限，但美國本田公司執(zhí)行副總裁John Mendel相信美國將會發(fā)展出一個龐大的氫燃料汽車市場，尤其是目前政府對氫氣的支持強于對天然氣的支持。

福特 福特汽車公司致力于燃料電池汽車的研發(fā)與技術(shù)示范的時間已經(jīng)超過了十年。從2005年到2009年，福特參加了由美國能源部（Department of Energy，DOE）部分資助的一個科技示范項目，同時也參與了加拿大和歐洲的一些由政府支持的示范項目。在這些項目中，總共運行了30輛福特Focus燃料電池汽車。這些車被用來進行測試，以證明技術(shù)可行性、性能耐久性和可靠性。由這些車中收集而來的數(shù)據(jù)對于福特進一步發(fā)展燃料電池技術(shù)至關重要。基于在第一代燃料電池技術(shù)中獲得的知識，福特公司的更新一代的燃料電池技術(shù)已經(jīng)完成開發(fā)和實驗室驗證。這些新一代技術(shù)可以提高燃料電池推進系統(tǒng)的穩(wěn)固性和“凍結(jié)啟動”能力。

福特公司認為，要讓氫燃料電池汽車與市場上現(xiàn)有的車輛技術(shù)競爭，仍需要克服一些挑戰(zhàn)，而其中最大的挑戰(zhàn)是燃料電池的成本和耐用性。另外，與氫燃料和車載氫存儲技術(shù)相關的成本和可用性也是相當大的挑戰(zhàn)。鑒于要實現(xiàn)商業(yè)化面臨的重大挑戰(zhàn)，福特公司重新劃分其內(nèi)部資源的優(yōu)先級，以便將精力集中核心燃料電池研究，其中包括要解決成本和耐用性挑戰(zhàn)的材料開發(fā)和基本科學研究，這將有助于提高燃料電池汽車商業(yè)化的潛力。

2013年1月，福特公司宣布與戴姆勒公司和日產(chǎn)汽車公司建立合作伙伴關系，加速燃料電池技術(shù)的商業(yè)化。合作將共同開發(fā)通用的燃料電池系統(tǒng)，通過最大化設計通用性，利用產(chǎn)量及其產(chǎn)生的效率而帶來的規(guī)模經(jīng)濟，將能降低技術(shù)成本。這項合作可能會導致最早在2017年推出世界上第一款可負擔得起的、面向大眾市場的燃料電池電動汽車。

同時，福特依然繼續(xù)在核心燃料電池方面的研究。福特的材料研究主要集中在膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）和雙極板，這些構(gòu)成了燃料電池組成本和/或耐用性的關鍵因素。例如，福特正在開發(fā)一種新的燃料電池催化劑，它將能大大減少貴金屬，例如鉑的使用。膜電極組件研究對于優(yōu)化燃料電池組的操作條件、減少系統(tǒng)復雜性也至關重要。福特也正在研究以材料為基礎的車載氫存儲技術(shù)，其中包括復雜的氫化物和新型氫吸附技術(shù)，這可能最終實現(xiàn)更高的能量密度和更低的成本。

寶馬 自從2011年與豐田建立伙伴關系之后，2015年7月，在一個法國的媒體活動中，寶馬公司展示了其第一個氫燃料電池汽車原型，即內(nèi)置了豐田汽車公司燃料電池技術(shù)的寶馬5系列Gran Turismo演示汽車。同時展示的還有一輛大量改動的i8跑車。

在歐洲的測試賽道上，氫動力寶馬車的行駛里程范圍達到500公里（310英里）。在2015年，寶馬將開始在道路上測試其氫動力原型車，并預計要有幾年的開發(fā)時間。

在技術(shù)上，寶馬已經(jīng)完全可以讓燃料電池汽車上路，但是，目前還太昂貴。寶馬公司的動力總成研究負責人Matthias Klietz表示，寶馬將在2020年后提供技術(shù)成熟并為客戶準備就緒的燃料電池電動汽車。相比于其合作伙伴豐田公司小批量面市Mirai，寶馬公司至少晚五年。

日產(chǎn) 自從要雄心勃勃的計劃成為世界上最高產(chǎn)量的電池電動汽車制造商，日產(chǎn)汽車公司對氫燃料電池的興趣一直不大。2013年1月，日產(chǎn)與戴姆勒和福特汽車公司形成了一個三方燃料電池合作伙伴關系。但日產(chǎn)的重點仍然是電動汽車，其Nissan Leaf是迄今為止世界上銷量最高的插電式電動汽車。不過，在這份聲明涵蓋的基礎設施項目中，日產(chǎn)顯然正在計劃最早在2017年開始銷售燃料電池汽車。

隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展和氫燃料基礎設施的完善，相信各大汽車制造商會更加競爭激烈地要在燃料電池汽車市場上分一杯羹，并共同為全球的環(huán)境保護以及能源的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。