燃料電池照亮電動車前路

姚堯

“MIRAI”（日語，未來）已來，這是電動車的未來？

2015年4月20日，上海國際汽車工業(yè)展覽會在國家會展中心（上海）正式拉開了帷幕。車展上的幾款燃料電池汽車，豐田MIRAI、奔馳 F 015 Luxury in Motion、大眾全新高爾夫Variant HyMotion等出盡了風頭。據(jù)全球首款實現(xiàn)量產(chǎn)的燃料電池車豐田MIRAI的展臺工作人員介紹，MIRAI完成一次充電僅需3分鐘，但其續(xù)航里程卻可以達到482公里，基本達到內燃機汽車水平。“它們或許可以代表電動車的未來。”國外某汽車品牌參展商告訴《中國經(jīng)濟信息》記者。

2015年4月23日，在接受《中國經(jīng)濟信息》記者采訪時，華泰證券電力設備與新能源行業(yè)分析師鄭丹丹說：“這種汽車的動力是由氫氣、氧氣與電解質反應發(fā)電驅動電動馬達提供，唯一的反應生成物是水。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，其成本已有所降低，在某些領域實現(xiàn)了商業(yè)化。”

日本位于前列

1992年，豐田就是從這一年開始研究氫燃料電池車的。經(jīng)過十年的研制，豐田和本田聯(lián)合推出了首臺燃料電池車，造價高達1億日元，無法推廣。但現(xiàn)在，情況已經(jīng)徹底扭轉。2015年1月，豐田MIRAI燃料電池車的開發(fā)負責人田中義和表示，現(xiàn)在燃料電池系統(tǒng)的成本已經(jīng)降至從前的5%，主要是因為由碳纖維纏繞的氫燃料罐成本大幅降低。

MIRAI在日本的售價僅為720萬日元（人民幣約37萬元），日本政府為了鼓勵綠色出行，每輛車還補貼約200萬日元（人民幣約10.7萬元），這樣的價格已具有相當競爭力。

豐田公司對這一款燃料電池車的銷售預期并不激進，計劃在今年年底前完成銷售700輛的目標，但是自從2014年年底在日本上市以來已經(jīng)銷售多達1500輛，這一成績出乎許多人的意料。當然這與日本政府的大力支持不無干系，僅僅日本政府就訂購了多達900輛。其余600輛是由個人訂購的。

同時，日本政府還承諾通過各種政策鼓勵加氫站的建立。目前，在日本建設一座加氫站的成本約為4.5億日元，日本政府現(xiàn)在給每個加氫站補貼2.8億日元。并考慮將政策松綁，允許企業(yè)使用價格更為低廉的金屬儲氫罐。按照這樣計算，每座加氫站的建設成本僅為2億—2.5億日元。

日本政府還提出了具體的加氫站建設目標，預計到今年底前在全國建設100個加氫站。但由于燃料電池車的普及剛剛起步，所以加氫站建設目標很難完成。

一面是雄心勃勃的政府，一面則是迫不及待的車企。面對普及燃料電池車的重任，車企希望通過開放專利技術擴大整個產(chǎn)業(yè)的生態(tài)圈。2015年1月6日，豐田公司宣布將為生產(chǎn)燃料電池車的企業(yè)無償提供其十數(shù)年積累的5680項電池技術專利。

豐田這么做不是沒有原因。燃料電池車正處于市場開發(fā)階段，規(guī)模小、成本高，加上加氫站建設數(shù)量有限，很多想在這一領域發(fā)展的企業(yè)往往敗在前期研發(fā)階段。但對豐田而言，顯然已經(jīng)邁過了這第一道坎。擺在它面前的最大障礙已經(jīng)不是燃料電池車的生產(chǎn)商們，或者生產(chǎn)純電動車的同行，而是占據(jù)乘用車龐大市場的內燃機汽車制造商。開放專利可以幫助燃料電池汽車或者純電動車的同行，才有可能把燃料電池車市場做大。當然，豐田的技術也不會白白轉讓，這能讓豐田在未來成為行業(yè)標準的制定者。

當愈來愈多的人進入這一領域以后，成本才能隨之下降，加氫站的建設才能提速，整個燃料電池車產(chǎn)業(yè)將隨之開啟。

技術攻堅不斷

在燃料電池車領域，技術進步從未停止，是推動這一產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的基礎。這種技術其實始于1990年，是戴姆勒-奔馳集團通過收購多尼爾公司，最先獲得了質子交換膜燃料電池技術。

其原理是把氫氣送入燃料電池的負極，再通過鉑催化劑的作用，把氫原子中的一個電子分離出來，當失去了電子的氫離子穿過質子交換膜后，就可以到達燃料電池的正極，無法通過質子交換膜的電子只能通過外部電路到達正極，這樣就可以在外部電路中產(chǎn)生源源不斷的電流，而此時氫離子與氧原子就會在正極處生成水。這樣，只要不斷地給正極輸送氧氣，并把水排出，就可以獲得持續(xù)的電能。

與1960年代開始在航天器上應用的堿性燃料技術相比，質子交換膜燃料電池技術的優(yōu)勢是對空氣中大量的二氧化碳并不敏感，對溫度要求也不高，只要70攝氏度的工作環(huán)境就可以正常啟動。但劣勢是鉑催化劑的價格十分昂貴，且對空氣中可能存在的一氧化碳敏感。

為了克服這一缺陷，多尼爾公司在技術研發(fā)時設計了氫燃料源和甲醇燃料源兩種技術路徑。甲醇（俗稱酒精）是一種液體燃料，存儲十分方便，但其能量密度卻很低，與氫氣相比劣勢明顯。

隨著電池技術研發(fā)的不斷深入，戴姆勒-奔馳還嘗試著生產(chǎn)了自己的燃料電池車。1994年，戴姆勒-奔馳發(fā)布了其首款自主研發(fā)的輕型燃料電池小貨車—NECAR1。8年之后，其已經(jīng)生產(chǎn)出了使用燃料電池技術的A級車。2010年，其生產(chǎn)了多達300輛氫燃料電池B級車，并進行了大量的公路測試。

據(jù)戴姆勒-奔馳公司的研發(fā)報告顯示，燃料電池B級車與之前的A級車相比，電能密度提高了三分之一，續(xù)航里程提高1.5倍，最高時速提高了五分之一；同時，氫氣燃料的消耗量降低了15%，燃料電池體積卻縮小了四成。

目前，戴姆勒-奔馳公司正在與福特和日產(chǎn)進行合作開發(fā)，以加快研發(fā)進度。

質子交換膜燃料電池技術，雖然已經(jīng)成為時下大多數(shù)燃料電池汽車生產(chǎn)商共同的選擇，但固體氧化物電池技術也有成為后起之秀的潛質。與質子交換膜技術不同的是，固體氧化物燃料電池需要700攝氏度至1000攝氏度的高溫才能慢慢啟動，但它的優(yōu)勢是對一氧化碳不敏感，其可以使用的燃料源也更加廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)可以被作為輔助電源。據(jù)意大利國家研究委員會發(fā)布的能源領域高新技術研究報告顯示，寶馬公司已經(jīng)將固體氧化物燃料電池技術應用于原型車上，并在開展相關實驗。

環(huán)保終極目標

對于傳統(tǒng)的內燃機汽車而言，其動力是來自于有機物在內燃機中燃燒產(chǎn)生的熱能。這一過程中產(chǎn)生的溫室氣體使得地球氣候發(fā)生變化，其規(guī)模已經(jīng)達到全球溫室氣體的一半。各國政府一直在努力達成共同遵循的減排目標，但汽車尾氣這一主要污染源如果沒有減少，減排目標很難達到。

對汽車企業(yè)而言，可以選擇的減排路徑只有三條，分別是提高內燃機的工作效率，發(fā)展純電動車或者發(fā)展燃料電池車。現(xiàn)在能夠確定的是，內燃機車的效率極限已經(jīng)臨近，純電動車的儲能電池發(fā)展思路尚有分歧，充電時長和續(xù)航能力還沒有達到市場要求。只有燃料電池車的技術水平已經(jīng)基本能滿足用戶對其續(xù)航能力，加氫時長的要求。

但要想實現(xiàn)真真正正的環(huán)保，氫燃料電池車還面臨氫氣從哪里來的問題，即氫氣的生產(chǎn)及儲運的過程是否能實現(xiàn)徹底環(huán)保。

現(xiàn)在，最普通的制造氫氣的方式是使用天然氣制造氫氣。但在這一制氫過程中，仍然會在生產(chǎn)及運輸過程中產(chǎn)生二氧化碳。

德國能源與環(huán)境問題專家施瓦茨說：“只有使用可再生能源生產(chǎn)的電力，通過電解水來制造氫氣，再通過國家的天然氣管道網(wǎng)絡進行運輸，才能杜絕或者把溫室氣體排放降至最低。”

為了實現(xiàn)氫燃料電池的市場化，戴姆勒-奔馳和國際知名的能源公司殼牌、道達爾等已經(jīng)達成聯(lián)盟，計劃于2023年前在德國境內建設400個加氫站。德國政府也在對儲能技術的發(fā)展投入大量資金，同時促進可再生能源的順利入網(wǎng)。

在我國，燃料電池汽車發(fā)展正處于初級階段。鄭丹丹說，“根據(jù)科技部于2015年2月公布的《國家重點研發(fā)計劃新能源汽車重點專項實施方案（征求意見稿）》，燃料電池汽車有望在2020年實現(xiàn)如下目標：技術取得突破，達到產(chǎn)業(yè)化要求，實現(xiàn)千輛級市場規(guī)模。”endprint