氫能源復活

衛東

曾幾何時，在2008年那個閃亮的年代——奧運之年，也是新能源車集體爆發的年代，那時也是對氫能源充滿憧憬的年代。回想2007年的米其林必比登挑戰賽上，氫燃料電池車云集，通用、現代、上汽、米其林等等品牌都拿出了燃料電池汽車，氫加氣站就擺在賽場旁，電動車、混合動力車與之相比反而顯得遜色了許多。然而，隨著美國經濟危機的爆發，燃料電池汽車也銷聲匿跡了，隨之走到了氫能源的灰色時期，而就在2014年秋季的米其林必比登挑戰賽上更是沒有了氫燃料電池車的身影。可讓人意想不到的是豐田氫燃料電池車Mirai就在2014年秋季上市了。

燃料電池類似于汽油、柴油發動機，它的燃料（主要是氫氣）和氧化劑（純氧或空氣）不是儲存在電池內，而是儲存在電池外的儲罐中。當連續不斷地向電池內送入氫燃料和氧化劑時電池發電，排放物僅為純凈水。因此，燃料電池是一個適合車用的、環境友好的氫氧發電裝置。它的最大特點是反應過程不涉及燃燒，因此其能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制，其能量轉換效率可高達80%，實際使用效率則是普通內燃機的2～3倍。

氫能是人類向往的能源之一，氫能和電、蒸汽一樣是能源載體，是由一次能源產生的。在地球上的氫主要以其化合物，如水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（NH3）等形式存在，所以氫很容易得到。氫氣本身不具毒性及放射性，是環保、安全的無碳能源，氫能的可儲性使其在未來可再生能源體系中處于無可替代的位置，成為人類向往的能源。

燃料電池汽車就是以燃料電池提供電力的電動汽車，從工作原理上決定了其具有三個最大的優點：一是動力系統工作時，不排放對環境有害的物質，只有水（蒸汽），汽車可真正實現零排放；二是汽車動力系統工作效率高；三是氫氣作為一種可再生的能源載體使汽車的燃料來源更多更廣，可以消除汽車能源短缺之憂。因此，燃料電池汽車可以從根本上解決人類面臨的環保和能源兩大嚴峻挑戰。

這次豐田推出Mirai燃料電池車使日本再次走在了新能源車的前列。上一次是混合動力車。經過十多年的努力，今天終于到了混合動力車遍地開花的季節，可日本車企卻突然改變了航向，這里面當然有日本電力匱乏的原因。

豐田Mirai使用了豐田新一代燃料電池系統TFCS （Toyota Fuel Cell System） ，它綜合了燃料電池技術和混合動力技術，還包括了豐田新專利的燃料電池反應堆（FC Stack）和高壓儲氫罐技術。TFCS是比內燃機效率更高的動力系統，并且在工作時沒有CO2和污染排放。Mirai使用了液態氫作為動力能源，液態氫被儲存在位于車身后半部分的高壓儲氫罐中。駕駛員也希望燃料電池車像汽油車一樣便捷——像傳統汽車一樣的續航里程，并且能在3分鐘內將氫燃料加滿 。

豐田燃料電池反應堆（FC Stack）可以獲得最大114kW的動力輸出。高效的電子發生器以很小的體積實現了高效運轉，實現了世界領先的3.1kW/L的動力輸出，是豐田上一代概念車FCHV的2.2倍。大量的水在燃料電池中冷卻發生器以提高效率。豐田FC Stack與豐田先前幾款燃料電池車不同，并不需要使用濕度調節器，而是采用內循環加濕系統。大量的水在燃料電池薄膜處以提高發電效率，這套系統是豐田先前燃料電池車所不具備的。

更緊湊的高效電壓轉換器（FC Boost Converter）將產生的電壓提升到650V，電壓的升高有利于減小電機和燃料電池反應堆的體積，結果是燃料電池系統的體積會更小，還降低了成本。空氣從車輛前部的冷卻格柵進入燃料電池堆。減壓后的氫氣進入位于發動機艙的燃料電池中，氫原子在燃料電池陰極上釋放電子從而產生電能。多個燃料電池的串聯使得輸出電壓滿足電機的需求。當駕駛員在踩下加速踏板時，從燃料電池堆產生的電能便被送到車輛驅動電機。電池則采用了更安全的鎳氫電池。

3層結構的碳纖維增強塑料材料的儲氣罐壓力達到了70 MPa，與豐田FCHV相比氫存儲量提升了20%。液態氫添加的過程與傳統添注汽油或者柴油相似，但對于安全性和加注設備具有獨立的安全標準。兩個氫氣罐的容積達到122.4L，（前罐60L/后罐62.4L）。充滿Mirai的儲氫罐大約需要3分鐘，在JC08工況下，Mirai的氫儲量可以支持700km續航里程。

豐田Mirai車身尺寸長、寬、高分別是4890/1815/1535mm，軸距達到2780mm，車身重量1850kg，達到了中級車尺寸。Mirai從里到外傳遞出了它是下一代汽車的模板，電機則帶來了更迅捷的提速反應。交流同步電機實現了最大輸出功率113kW，最大扭矩335Nm，帶來的駕駛樂趣是不言而喻的。燃料電池動力系統的低重心會激發出更好的操控和更多駕駛樂趣。另外，車上提供了100V電源接口，電腦等設備可以直接連接使用，這對于傳統車輛是不可想象的。

在2005年的北美車展上，通用推出了氫燃料電池概念車Sequel（GM Sequel Concept），這款車的改款車型也有幸在2006年來到了國內與消費者見面，只可惜之后的經濟危機打夸了通用的計劃。

Sequel概念車是全球首款成功地整合了氫燃料電池驅動系統和其他高新技術——如線傳操控電子控制技術、輪轂電機、鋰離子電池以及輕量化鋁質車身結構的概念車。作為一款五人座的SUV，雪佛蘭Sequel動力源、傳動系統的簡化為室內設計帶來了很大好處，也帶來了寬敞的內部空間。它的底盤低而厚，形似溜冰板，其上巧妙地安裝了驅動系統、制動系統、燃料電池堆和車載儲氫系統。

與上一代燃料電池動力系統相比，雪佛蘭Sequel的燃料電池更簡單，效率更高，它的功率增加了25%，續駛里程達到空前的480km。資料顯示它的動力性能也非常出色，從靜止加速至100km/h不到10s，并且比傳統汽車制動距離更短。氫能源是一種潔凈并可再生的新型能源，在車內燃燒后排放出零污染的水蒸氣。

一打開車門便立刻會感受到新技術帶來了車內空間的變革——簡潔與空曠。儀表盤中主要顯示車速、電量、儲氫量、擋位等；音響、空調等附屬設備的控制都集合在一塊觸摸顯示屏上；由于沒有了發動機，儀表臺下也空曠了許多；變速桿變成了4個按鍵。完全不是傳統汽車的感覺。轉動鑰匙，按下D擋，起步很安靜，完全一部電瓶車。提速均勻而平穩，來自輪邊馬達的驅動力很實在。由于重心的降低，給你提供了更好的操控力，駕駛感受清靜而明快。

事實上，雪佛蘭Sequel在許多方面的表現都比傳統汽車更勝一籌——它更迅速、更平穩、更美觀、更安全，也更便于生產制造。但因為還沒有達到成熟的市場需求，這款概念車就此保持了沉默，相信只要有市場需求，它就會立刻轉入實戰。

記得在燃料電池概念車盛行的那幾年，在上海車展長安汽車的展臺上曾經見到過一款氫動力概念車，而在2008年的奧運會期間，還有20輛帕薩特領馭燃料電池車作為組委會用車行駛在北京街頭，這可是國內自主研發的成果，也打開了國內汽車行業利用氫能源的首頁。

說到國內燃料電池轎車的研發歷程，就要說說國家863燃料電池轎車課題。在上海市政府的支持下，上燃動力聯合上汽集團、同濟大學等單位成功研制了具有完全自主知識產權的燃料電池轎車動力系統技術平臺。歷經2003年到2005年的三代“超越”燃料電池轎車的開發，到2006年，最新一代燃料電池轎車動力系統研制成功，并將該技術平臺應用于上海大眾帕薩特領馭車型。與第三代燃料電池車輛動力系統相比，新一代燃料電池轎車各項指標均有了大幅提高，最高車速達到150km/h，從靜止加速到100km/h的時間縮短為15s，最大爬坡能力達到20%，一次加注氫的續駛里程達到300km，城市工況的氫氣燃料消耗率小于1.2kg/100km。

在奧運期間，由20輛上海大眾帕薩特領馭燃料電池轎車組成的規模龐大的燃料電池示范運行車隊成為了大眾汽車集團的綠色能源戰略和同濟大學、上汽集團的燃料電池技術的展示平臺。

在2007年，BMW Hydrogen 7也來到了國內。當第一眼看到氫動力轎車BMW Hydrogen 7時，首先引人注目的特點應該是發動機艙蓋。凸起的機艙蓋突出了它與眾不同的動力源，這一設計風格的變化實際上也是必需的，因為發動機的高度與普通12缸發動機相比要高很多，同時這種造型也清晰地強調出了發動機蓋下面蘊藏著的獨一無二的動力源。這款BMW推出的氫動力轎車BMW Hydrogen 7將清潔能源與豪華高性能結合在一起，在車輛結構變動不大的情況下為新能源汽車打開了一條路徑。

BMW 7系Hydrogen 7轎車采用了191kW的12缸發動機，從靜止到100km/h加速時間9.5s，最高車速電子限定為230km/h。如果不能保證氫的充分供應，BMW Hydrogen 7采用的雙模式發動機可以迅速而方便地切換為用普通高級汽油做燃料的工作方式。氫燃料發動機基于汽油動力單元，BMW的發動機專家們按照雙模驅動的要求對發動機進行了改進。在汽油模式下燃油通過直接噴射供應，同時在發動機進氣系統中集成了氫供應管路。關鍵技術是噴射閥需要提供相應的燃料/空氣混合氣，在幾毫秒內將正確量的氫氣送入到進氣之中。

氫的燃燒速度比普通燃油快10倍，實現了更高的效率水平。為確保充分利用這一潛能， V12動力單元需要由Valvetronic電子氣門和Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時系統來保證極為靈活的發動機管理系統，使氣體循環和噴射節奏與氫/空氣混合氣的特殊特性完美匹配。

BMW Hydrogen 7的動力單元在理想條件下全負荷運轉，意味著氧和氫完全平衡（空燃比 = 1）。在氫動力模式下，這一混合比也可以提供最高的性能水平和低排放下的理想輸出功率。在極高的燃燒溫度下主要會產生氮氧化物（NOX）。為了抑制NOX形成，發動機部分負荷時在氧含量較高的狀態下運行，相應地使空燃比系數大于2。

氫燃料罐采用雙層壁式結構，包括在2mm厚的不銹鋼板以及內罐和外罐之間30mm厚的真空超隔熱層。高效的隔熱作用可使在3～5巴壓力作用下的液態氫氣長時間保持在約-250℃的恒定溫度。僅使用氫作為燃料的車輛要在公路上行駛將會受到一定的限制，為了滿足實用性，車輛除配備了可容納約8kg的液態氫罐外，還配有容量為74L的油箱，達到了超過700km的總續駛里程。

駕駛者可以通過多功能方向盤上一個單獨的按鈕手動完成從氫動力到汽油動力模式的轉換。不管處于怎樣的運行狀態下，發動機功率和扭矩都不會有任何改變，模式轉換也不會對BMW Hydrogen 7的行駛狀態和性能造成影響。駕駛者只需按下轉向信號燈操縱桿上的一個按鈕，就可以檢查兩個燃料系統的燃料液位和剩余燃料可達里程。當在氫動力模式下行駛時，顯示屏上不再顯示車外溫度和時間，而是顯示分子氫的化學符號：H2，從而相當明確地告知駕駛者汽車目前在利用氫燃料行駛。BMW Hydrogen 7駕馭起來和傳統車輛區別不大。

氫氣來自自然之中或者是人工制造，氫氣也可以從水分解而來，而能源來自太陽能或風能。當氫氣被壓縮后，就會具有比電池更高的能量密度，并且存儲和運輸都非常方便，所以它具有了未來能源的巨大潛力。與目前電動車的充電速度相比，充滿可以跑700km的Mirai儲氫罐大約只需要3分鐘，而要為續航里程500km的特斯拉充滿電至少需要5h。作為解決排放問題的終極方案之一，如果直接使用氫燃料電池，便直接達到了零排放的目標。按照豐田的計劃，在2020年將實現美國和日本加氫無障礙。