文/宋菲

    從混動到燃料電池

   之所以這么多車企近年來一心搞純電動汽車，甚至有很大一部分車企認(rèn)為新能源汽車的最終目標(biāo)就是純電驅(qū)動，一個主要原因在于，在找到石油的替代能源之前，電能是最直接可用的能源形式，風(fēng)能、水能、核能、光能、燃煤等都可轉(zhuǎn)化為電能。然而豐田汽車則認(rèn)為，新能源汽車的發(fā)展路徑是從混合動力過渡到燃料電池汽車，甚至由不得純電動車形成真正意義上的市場。
   《品質(zhì)汽車》記者了解到的一種觀點(diǎn)可以對此加以佐證。從能量守恒定律的角度看，純電動汽車算不上一個節(jié)能的解決方案，因?yàn)榧冸妱榆囍唤鉀Q將電能作為汽車動力的問題，但由于從外部輸入電瓶的電能首先要轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使用時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，每一步轉(zhuǎn)換都需要耗能，再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。而傳統(tǒng)動力則是直接將發(fā)動機(jī)的動力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，混合動力是在傳統(tǒng)動力的基礎(chǔ)上，增加了能量回收和儲能裝置，將發(fā)動機(jī)多余的動能，以及制動、溜車等耗費(fèi)的能量轉(zhuǎn)換為電能，然后儲存在電瓶中。如果使用煤電驅(qū)動電動車，那么與傳統(tǒng)動力汽車相比，純電動汽車不僅是個高耗能產(chǎn)品，而且還是高污染產(chǎn)品。

   “而氫燃料汽車由于其較高的能量轉(zhuǎn)換效率、H2O零無污染的排放，都能更大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。”汽車分析師張志勇認(rèn)為，將燃料電池汽車作為新能源汽車發(fā)展的終極目標(biāo)，不僅僅是豐田汽車，其實(shí)整個社會都有此共識。

   根據(jù)國際能源署、日本經(jīng)產(chǎn)省的預(yù)測數(shù)據(jù)，按國際能源署預(yù)測，2030年以前，全球新能源汽車市場仍將以插電式汽車、純電動汽車為主，2030年氫燃料電池汽車在世界汽車銷量中的占比約為2%~3%。2030~2050年，插電式汽車、純電動汽車、氫燃料電池汽車發(fā)展順序和市場大格局保持不變，但氫燃料電池汽車占比將提高到15%左右。日本經(jīng)產(chǎn)省最新預(yù)測，2030年氫燃料電池汽車占日本汽車市場保有量的比例約為3%，插電式汽車和純電動汽車占比為20%~30%。

    成本從1億到500萬

   然而，對于這一新能源發(fā)展趨勢的爭論目前仍在繼續(xù)，新能源汽車的另一位大佬，特斯拉CEO馬斯克就曾公開表示質(zhì)疑。

   張志勇在采訪中表示，“目前來講，燃料電池汽車的發(fā)展門檻的確很高，從技術(shù)上看，能量密度、儲氫安全、低溫性能等方面都有大量問題亟待解決，還有一個更主要的原因在于其價格高昂?！睋?jù)了解，7年前豐田曾發(fā)布了燃料電池版漢蘭達(dá)，每輛車的成本高達(dá)1億日元（當(dāng)時約合700萬元人民幣），這樣高昂的價格主要源于燃料電池中質(zhì)子交換膜的催化劑材料——鉑，而如何減少其用量或?qū)ふ液线m的替代材料成為關(guān)鍵。據(jù)了解，在改進(jìn)氫燃料電池設(shè)計的進(jìn)程中，豐田大幅度減少了燃料電池中鉑的使用量，使催化劑更為高效，并且為了減少鉑的使用量，開發(fā)了用于添加催化劑的精密設(shè)備，確保沒有一點(diǎn)催化劑被浪費(fèi)。

   就Mirai這款車而言，據(jù)說每輛車成本只是當(dāng)年燃料電池版漢蘭達(dá)的1/20，售價為723.6萬日元（約合人民幣40萬元），日本政府對每輛汽車補(bǔ)貼202萬日元之后，消費(fèi)者只需支付約520萬日元（約合27萬元人民幣）。

   7年時間里，豐田的燃料電池技術(shù)在不斷優(yōu)化，除了上述催化劑方面的改善，比如Mirai搭載的燃料電池堆棧由370片薄片燃料電池組成，利用3D立體微流道技術(shù)，通過更好地排出副產(chǎn)物水，讓更多空氣流入，有效改善發(fā)電效率，整個堆棧的發(fā)電效率達(dá)到3.1kW/L，比7年前提升了2.2倍。再比如，為了提升燃料電池車的安全性，儲氫罐被設(shè)計成四層結(jié)構(gòu)，鋁合金的罐體內(nèi)部襯有塑料內(nèi)膽，外面包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)層，保護(hù)層外側(cè)再增加一層玻璃纖維材料的減震保護(hù)層，并且每一層的纖維紋路都根據(jù)所處罐身位置不同而做了額外的優(yōu)化，使纖維順著壓力分布的方向，提升保護(hù)層的效果。

    未來并未真正來臨

   豐田燃料電池汽車的快速發(fā)展，與豐田此前較為成熟的混合動力技術(shù)有不小的關(guān)系，據(jù)了解，燃料電池汽車技術(shù)與豐田的混合動力汽車技術(shù)是一脈相承的，可以與混動在電機(jī)、電控等方面核心技術(shù)共享，Mirai的工程設(shè)計團(tuán)隊中就有來自混動汽車設(shè)計的工程師。

   如今豐田的燃料電池技術(shù)已經(jīng)能夠支持燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而且根據(jù)豐田的宣傳，Mirai加滿一箱氫氣只需3分鐘，加滿燃料后續(xù)航里程可達(dá)到650公里，對比當(dāng)今的新能源車型，無論續(xù)航里程還是加燃料時間都有明顯優(yōu)勢。而且，Mirai上市后的第一個月，日本國內(nèi)就已經(jīng)接到1500個訂單，遠(yuǎn)超過豐田2015年在日本國內(nèi)銷售400輛的計劃。

   然而張志勇卻認(rèn)為，“Mirai的所謂量產(chǎn)，并非像我們通常所理解的在市場上向廣大消費(fèi)者進(jìn)行推廣，而更應(yīng)該理解為燃料汽車從實(shí)驗(yàn)室階段走向了實(shí)用階段。而這里所說的實(shí)用階段又不是指向私人消費(fèi)者銷售，而主要是面向政府機(jī)關(guān)團(tuán)體、大型服務(wù)機(jī)構(gòu)等，面向私人市場應(yīng)該還有更遠(yuǎn)的距離。豐田的燃料電池車雖然得到了日本政府的大力支持，但仍舊處于市場應(yīng)用的初級階段。”

   首先在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，燃料電池車加氫站的建設(shè)就有不小難題。據(jù)了解，目前一座加氫站的建設(shè)費(fèi)用在5億日元（約2600萬元人民幣），即使政府提供一半補(bǔ)貼，建設(shè)成本仍是加油站的4倍。如果不能保證一定量的車輛保有，就很難有企業(yè)愿意投入這筆巨資。燃料電池車加氫站的建設(shè)比純電動車充電樁、充電站的建設(shè)難度也更大。

   另外一點(diǎn)，目前氫氣仍主要源自于天然氣、石油等化石燃料，如果不能廣泛利用低成本光伏、生物等電解的氫，氫燃料電池汽車作為終極環(huán)保汽車仍沒有實(shí)際意義。

   最近有消息稱，Mirai的注冊資料已經(jīng)出現(xiàn)在了中國國家知識產(chǎn)權(quán)局，這預(yù)示著Mirai今后有望引入國內(nèi)銷售。對此記者向豐田中國發(fā)言人牛豫求證，得到的結(jié)論是，就Mirai是否會引入中國銷售還沒有確定。

    燃料電池工作原理

   雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣，同時氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒，但燃料電池卻不是利用燃燒來獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移來形成電流的，這一過程最關(guān)鍵的技術(shù)就是利用特殊的“電解質(zhì)薄膜”將氫氣拆分，整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，但是更小的灰塵卻可以。電解質(zhì)薄膜也是燃料電池領(lǐng)域最難被攻克的技術(shù)壁壘。因?yàn)闅浞肿芋w積小，可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去，但是在穿越孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負(fù)電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個氫離子和一個氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來講，整個運(yùn)行過程就是發(fā)電過程。

    《產(chǎn)品可靠性報告》2015年3月刊