氫能源復(fù)活

衛(wèi)東

曾幾何時(shí)，在2008年那個(gè)閃亮的年代——奧運(yùn)之年，也是新能源車集體爆發(fā)的年代，那時(shí)也是對(duì)氫能源充滿憧憬的年代?；叵?007年的米其林必比登挑戰(zhàn)賽上，氫燃料電池車云集，通用、現(xiàn)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(chǎng)旁，電動(dòng)車、混合動(dòng)力車與之相比反而顯得遜色了許多。然而，隨著美國(guó)經(jīng)濟(jì)危機(jī)的爆發(fā)，燃料電池汽車也銷聲匿跡了，隨之走到了氫能源的灰色時(shí)期，而就在2014年秋季的米其林必比登挑戰(zhàn)賽上更是沒(méi)有了氫燃料電池車的身影?？勺屓艘庀氩坏降氖秦S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(fā)動(dòng)機(jī)，它的燃料（主要是氫氣）和氧化劑（純氧或空氣）不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外的儲(chǔ)罐中。當(dāng)連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入氫燃料和氧化劑時(shí)電池發(fā)電，排放物僅為純凈水。因此，燃料電池是一個(gè)適合車用的、環(huán)境友好的氫氧發(fā)電裝置。它的最大特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程不涉及燃燒，因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，其能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)80%，實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)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(chǎn)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(huán)保、安全的無(wú)碳能源，氫能的可儲(chǔ)性使其在未來(lái)可再生能源體系中處于無(wú)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(dòng)汽車，從工作原理上決定了其具有三個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)：一是動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)，不排放對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，只有水（蒸汽），汽車可真正實(shí)現(xiàn)零排放；二是汽車動(dòng)力系統(tǒng)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(lái)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(huán)保和能源兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

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(dòng)力車。經(jīng)過(guò)十多年的努力，今天終于到了混合動(dòng)力車遍地開(kāi)花的季節(jié)，可日本車企卻突然改變了航向，這里面當(dāng)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(tǒng)TFCS （Toyota Fuel Cell System） ，它綜合了燃料電池技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)，還包括了豐田新專利的燃料電池反應(yīng)堆（FC Stack）和高壓儲(chǔ)氫罐技術(shù)。TFCS是比內(nèi)燃機(jī)效率更高的動(dòng)力系統(tǒng)，并且在工作時(shí)沒(méi)有CO2和污染排放。Mirai使用了液態(tài)氫作為動(dòng)力能源，液態(tài)氫被儲(chǔ)存在位于車身后半部分的高壓儲(chǔ)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(tǒng)汽車一樣的續(xù)航里程，并且能在3分鐘內(nèi)將氫燃料加滿 。

豐田燃料電池反應(yīng)堆（FC Stack）可以獲得最大114kW的動(dòng)力輸出。高效的電子發(fā)生器以很小的體積實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的3.1kW/L的動(dòng)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(fā)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(diào)節(jié)器，而是采用內(nèi)循環(huán)加濕系統(tǒng)。大量的水在燃料電池薄膜處以提高發(fā)電效率，這套系統(tǒng)是豐田先前燃料電池車所不具備的。

更緊湊的高效電壓轉(zhuǎn)換器（FC Boost Converter）將產(chǎn)生的電壓提升到650V，電壓的升高有利于減小電機(jī)和燃料電池反應(yīng)堆的體積，結(jié)果是燃料電池系統(tǒng)的體積會(huì)更小，還降低了成本?？諝鈴能囕v前部的冷卻格柵進(jìn)入燃料電池堆。減壓后的氫氣進(jìn)入位于發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎn)生電能。多個(gè)燃料電池的串聯(lián)使得輸出電壓滿足電機(jī)的需求。當(dāng)駕駛員在踩下加速踏板時(shí)，從燃料電池堆產(chǎn)生的電能便被送到車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電池則采用了更安全的鎳氫電池。

3層結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)塑料材料的儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到了70 MPa，與豐田FCHV相比氫存儲(chǔ)量提升了20%。液態(tài)氫添加的過(guò)程與傳統(tǒng)添注汽油或者柴油相似，但對(duì)于安全性和加注設(shè)備具有獨(dú)立的安全標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)氫氣罐的容積達(dá)到122.4L，（前罐60L/后罐62.4L）。充滿Mirai的儲(chǔ)氫罐大約需要3分鐘，在JC08工況下，Mirai的氫儲(chǔ)量可以支持700km續(xù)航里程。

豐田Mirai車身尺寸長(zhǎng)、寬、高分別是4890/1815/1535mm，軸距達(dá)到2780mm，車身重量1850kg，達(dá)到了中級(jí)車尺寸。Mirai從里到外傳遞出了它是下一代汽車的模板，電機(jī)則帶來(lái)了更迅捷的提速反應(yīng)。交流同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率113kW，最大扭矩335Nm，帶來(lái)的駕駛樂(lè)趣是不言而喻的。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的低重心會(huì)激發(fā)出更好的操控和更多駕駛樂(lè)趣。另外，車上提供了100V電源接口，電腦等設(shè)備可以直接連接使用，這對(duì)于傳統(tǒng)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(lái)到了國(guó)內(nèi)與消費(fèi)者見(jiàn)面，只可惜之后的經(jīng)濟(jì)危機(jī)打夸了通用的計(jì)劃。

Sequel概念車是全球首款成功地整合了氫燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和其他高新技術(shù)——如線傳操控電子控制技術(shù)、輪轂電機(jī)、鋰離子電池以及輕量化鋁質(zhì)車身結(jié)構(gòu)的概念車。作為一款五人座的SUV，雪佛蘭Sequel動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化為室內(nèi)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大好處，也帶來(lái)了寬敞的內(nèi)部空間。它的底盤低而厚，形似溜冰板，其上巧妙地安裝了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、燃料電池堆和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

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

一打開(kāi)車門便立刻會(huì)感受到新技術(shù)帶來(lái)了車內(nèi)空間的變革——簡(jiǎn)潔與空曠。儀表盤中主要顯示車速、電量、儲(chǔ)氫量、擋位等；音響、空調(diào)等附屬設(shè)備的控制都集合在一塊觸摸顯示屏上；由于沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)，儀表臺(tái)下也空曠了許多；變速桿變成了4個(gè)按鍵。完全不是傳統(tǒng)汽車的感覺(jué)。轉(zhuǎn)動(dòng)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(wěn)，來(lái)自輪邊馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力很實(shí)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(shí)上，雪佛蘭Sequel在許多方面的表現(xiàn)都比傳統(tǒng)汽車更勝一籌——它更迅速、更平穩(wěn)、更美觀、更安全，也更便于生產(chǎn)制造。但因?yàn)檫€沒(méi)有達(dá)到成熟的市場(chǎng)需求，這款概念車就此保持了沉默，相信只要有市場(chǎng)需求，它就會(huì)立刻轉(zhuǎn)入實(shí)戰(zhàn)。

記得在燃料電池概念車盛行的那幾年，在上海車展長(zhǎng)安汽車的展臺(tái)上曾經(jīng)見(jiàn)到過(guò)一款氫動(dòng)力概念車，而在2008年的奧運(yùn)會(huì)期間，還有20輛帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車作為組委會(huì)用車行駛在北京街頭，這可是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的成果，也打開(kāi)了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)利用氫能源的首頁(yè)。

說(shuō)到國(guó)內(nèi)燃料電池轎車的研發(fā)歷程，就要說(shuō)說(shuō)國(guó)家863燃料電池轎車課題。在上海市政府的支持下，上燃動(dòng)力聯(lián)合上汽集團(tuán)、同濟(jì)大學(xué)等單位成功研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。歷經(jīng)2003年到2005年的三代“超越”燃料電池轎車的開(kāi)發(fā)，到2006年，最新一代燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)研制成功，并將該技術(shù)平臺(tái)應(yīng)用于上海大眾帕薩特領(lǐng)馭車型。與第三代燃料電池車輛動(dòng)力系統(tǒng)相比，新一代燃料電池轎車各項(xiàng)指標(biāo)均有了大幅提高，最高車速達(dá)到150km/h，從靜止加速到100km/h的時(shí)間縮短為15s，最大爬坡能力達(dá)到20%，一次加注氫的續(xù)駛里程達(dá)到300km，城市工況的氫氣燃料消耗率小于1.2kg/100km。

在奧運(yùn)期間，由20輛上海大眾帕薩特領(lǐng)馭燃料電池轎車組成的規(guī)模龐大的燃料電池示范運(yùn)行車隊(duì)成為了大眾汽車集團(tuán)的綠色能源戰(zhàn)略和同濟(jì)大學(xué)、上汽集團(tuán)的燃料電池技術(shù)的展示平臺(tái)。

在2007年，BMW Hydrogen 7也來(lái)到了國(guó)內(nèi)。當(dāng)?shù)谝谎劭吹綒鋭?dòng)力轎車BMW Hydrogen 7時(shí)，首先引人注目的特點(diǎn)應(yīng)該是發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋。凸起的機(jī)艙蓋突出了它與眾不同的動(dòng)力源，這一設(shè)計(jì)風(fēng)格的變化實(shí)際上也是必需的，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的高度與普通12缸發(fā)動(dòng)機(jī)相比要高很多，同時(shí)這種造型也清晰地強(qiáng)調(diào)出了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下面蘊(yùn)藏著的獨(dú)一無(wú)二的動(dòng)力源。這款BMW推出的氫動(dòng)力轎車BMW Hydrogen 7將清潔能源與豪華高性能結(jié)合在一起，在車輛結(jié)構(gòu)變動(dòng)不大的情況下為新能源汽車打開(kāi)了一條路徑。

BMW 7系Hydrogen 7轎車采用了191kW的12缸發(fā)動(dòng)機(jī)，從靜止到100km/h加速時(shí)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(yīng)，BMW Hydrogen 7采用的雙模式發(fā)動(dòng)機(jī)可以迅速而方便地切換為用普通高級(jí)汽油做燃料的工作方式。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基于汽油動(dòng)力單元，BMW的發(fā)動(dòng)機(jī)專家們按照雙模驅(qū)動(dòng)的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。在汽油模式下燃油通過(guò)直接噴射供應(yīng)，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中集成了氫供應(yīng)管路。關(guān)鍵技術(shù)是噴射閥需要提供相應(yīng)的燃料/空氣混合氣，在幾毫秒內(nèi)將正確量的氫氣送入到進(jìn)氣之中。

氫的燃燒速度比普通燃油快10倍，實(shí)現(xiàn)了更高的效率水平。為確保充分利用這一潛能， V12動(dòng)力單元需要由Valvetronic電子氣門和Double-VANOS雙凸輪軸可變氣門正時(shí)系統(tǒng)來(lái)保證極為靈活的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，使氣體循環(huán)和噴射節(jié)奏與氫/空氣混合氣的特殊特性完美匹配。

BMW Hydrogen 7的動(dòng)力單元在理想條件下全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，意味著氧和氫完全平衡（空燃比 = 1）。在氫動(dòng)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(huì)產(chǎn)生氮氧化物（NOX）。為了抑制NOX形成，發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)在氧含量較高的狀態(tài)下運(yùn)行，相應(yīng)地使空燃比系數(shù)大于2。

氫燃料罐采用雙層壁式結(jié)構(gòu)，包括在2mm厚的不銹鋼板以及內(nèi)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(tài)氫氣長(zhǎng)時(shí)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(huì)受到一定的限制，為了滿足實(shí)用性，車輛除配備了可容納約8kg的液態(tài)氫罐外，還配有容量為74L的油箱，達(dá)到了超過(guò)700km的總續(xù)駛里程。

駕駛者可以通過(guò)多功能方向盤上一個(gè)單獨(dú)的按鈕手動(dòng)完成從氫動(dòng)力到汽油動(dòng)力模式的轉(zhuǎn)換。不管處于怎樣的運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩都不會(huì)有任何改變，模式轉(zhuǎn)換也不會(huì)對(duì)BMW Hydrogen 7的行駛狀態(tài)和性能造成影響。駕駛者只需按下轉(zhuǎn)向信號(hào)燈操縱桿上的一個(gè)按鈕，就可以檢查兩個(gè)燃料系統(tǒng)的燃料液位和剩余燃料可達(dá)里程。當(dāng)在氫動(dòng)力模式下行駛時(shí)，顯示屏上不再顯示車外溫度和時(shí)間，而是顯示分子氫的化學(xué)符號(hào)：H2，從而相當(dāng)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(lái)和傳統(tǒng)車輛區(qū)別不大。

氫氣來(lái)自自然之中或者是人工制造，氫氣也可以從水分解而來(lái)，而能源來(lái)自太陽(yáng)能或風(fēng)能。當(dāng)氫氣被壓縮后，就會(huì)具有比電池更高的能量密度，并且存儲(chǔ)和運(yùn)輸都非常方便，所以它具有了未來(lái)能源的巨大潛力。與目前電動(dòng)車的充電速度相比，充滿可以跑700km的Mirai儲(chǔ)氫罐大約只需要3分鐘，而要為續(xù)航里程500km的特斯拉充滿電至少需要5h。作為解決排放問(wèn)題的終極方案之一，如果直接使用氫燃料電池，便直接達(dá)到了零排放的目標(biāo)。按照豐田的計(jì)劃，在2020年將實(shí)現(xiàn)美國(guó)和日本加氫無(wú)障礙。