氢能源复活

卫东

曾几何时，在2008年那个闪亮的年代——奥运之年，也是新能源车集体爆发的年代，那时也是对氢能源充满憧憬的年代。回想2007年的米其林必比登挑战赛上，氢燃料电池车云集，通用、现代、上汽、米其林等等品牌都拿出了燃料电池汽车，氢加气站就摆在赛场旁，电动车、混合动力车与之相比反而显得逊色了许多。然而，随着美国经济危机的爆发，燃料电池汽车也销声匿迹了，随之走到了氢能源的灰色时期，而就在2014年秋季的米其林必比登挑战赛上更是没有了氢燃料电池车的身影。可让人意想不到的是丰田氢燃料电池车Mirai就在2014年秋季上市了。

燃料电池类似于汽油、柴油发动机，它的燃料（主要是氢气）和氧化剂（纯氧或空气）不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当连续不断地向电池内送入氢燃料和氧化剂时电池发电，排放物仅为纯净水。因此，燃料电池是一个适合车用的、环境友好的氢氧发电装置。它的最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率可高达80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。

氢能是人类向往的能源之一，氢能和电、蒸汽一样是能源载体，是由一次能源产生的。在地球上的氢主要以其化合物，如水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（NH3）等形式存在，所以氢很容易得到。氢气本身不具毒性及放射性，是环保、安全的无碳能源，氢能的可储性使其在未来可再生能源体系中处于无可替代的位置，成为人类向往的能源。

燃料电池汽车就是以燃料电池提供电力的电动汽车，从工作原理上决定了其具有三个最大的优点：一是动力系统工作时，不排放对环境有害的物质，只有水（蒸汽），汽车可真正实现零排放；二是汽车动力系统工作效率高；三是氢气作为一种可再生的能源载体使汽车的燃料来源更多更广，可以消除汽车能源短缺之忧。因此，燃料电池汽车可以从根本上解决人类面临的环保和能源两大严峻挑战。

这次丰田推出Mirai燃料电池车使日本再次走在了新能源车的前列。上一次是混合动力车。经过十多年的努力，今天终于到了混合动力车遍地开花的季节，可日本车企却突然改变了航向，这里面当然有日本电力匮乏的原因。

丰田Mirai使用了丰田新一代燃料电池系统TFCS （Toyota Fuel Cell System） ，它综合了燃料电池技术和混合动力技术，还包括了丰田新专利的燃料电池反应堆（FC Stack）和高压储氢罐技术。TFCS是比内燃机效率更高的动力系统，并且在工作时没有CO2和污染排放。Mirai使用了液态氢作为动力能源，液态氢被储存在位于车身后半部分的高压储氢罐中。驾驶员也希望燃料电池车像汽油车一样便捷——像传统汽车一样的续航里程，并且能在3分钟内将氢燃料加满 。

丰田燃料电池反应堆（FC Stack）可以获得最大114kW的动力输出。高效的电子发生器以很小的体积实现了高效运转，实现了世界领先的3.1kW/L的动力输出，是丰田上一代概念车FCHV的2.2倍。大量的水在燃料电池中冷却发生器以提高效率。丰田FC Stack与丰田先前几款燃料电池车不同，并不需要使用湿度调节器，而是采用内循环加湿系统。大量的水在燃料电池薄膜处以提高发电效率，这套系统是丰田先前燃料电池车所不具备的。

更紧凑的高效电压转换器（FC Boost Converter）将产生的电压提升到650V，电压的升高有利于减小电机和燃料电池反应堆的体积，结果是燃料电池系统的体积会更小，还降低了成本。空气从车辆前部的冷却格栅进入燃料电池堆。减压后的氢气进入位于发动机舱的燃料电池中，氢原子在燃料电池阴极上释放电子从而产生电能。多个燃料电池的串联使得输出电压满足电机的需求。当驾驶员在踩下加速踏板时，从燃料电池堆产生的电能便被送到车辆驱动电机。电池则采用了更安全的镍氢电池。

3层结构的碳纤维增强塑料材料的储气罐压力达到了70 MPa，与丰田FCHV相比氢存储量提升了20%。液态氢添加的过程与传统添注汽油或者柴油相似，但对于安全性和加注设备具有独立的安全标准。两个氢气罐的容积达到122.4L，（前罐60L/后罐62.4L）。充满Mirai的储氢罐大约需要3分钟，在JC08工况下，Mirai的氢储量可以支持700km续航里程。

丰田Mirai车身尺寸长、宽、高分别是4890/1815/1535mm，轴距达到2780mm，车身重量1850kg，达到了中级车尺寸。Mirai从里到外传递出了它是下一代汽车的模板，电机则带来了更迅捷的提速反应。交流同步电机实现了最大输出功率113kW，最大扭矩335Nm，带来的驾驶乐趣是不言而喻的。燃料电池动力系统的低重心会激发出更好的操控和更多驾驶乐趣。另外，车上提供了100V电源接口，电脑等设备可以直接连接使用，这对于传统车辆是不可想象的。

在2005年的北美车展上，通用推出了氢燃料电池概念车Sequel（GM Sequel Concept），这款车的改款车型也有幸在2006年来到了国内与消费者见面，只可惜之后的经济危机打夸了通用的计划。

Sequel概念车是全球首款成功地整合了氢燃料电池驱动系统和其他高新技术——如线传操控电子控制技术、轮毂电机、锂离子电池以及轻量化铝质车身结构的概念车。作为一款五人座的SUV，雪佛兰Sequel动力源、传动系统的简化为室内设计带来了很大好处，也带来了宽敞的内部空间。它的底盘低而厚，形似溜冰板，其上巧妙地安装了驱动系统、制动系统、燃料电池堆和车载储氢系统。

与上一代燃料电池动力系统相比，雪佛兰Sequel的燃料电池更简单，效率更高，它的功率增加了25%，续驶里程达到空前的480km。资料显示它的动力性能也非常出色，从静止加速至100km/h不到10s，并且比传统汽车制动距离更短。氢能源是一种洁净并可再生的新型能源，在车内燃烧后排放出零污染的水蒸气。

一打开车门便立刻会感受到新技术带来了车内空间的变革——简洁与空旷。仪表盘中主要显示车速、电量、储氢量、挡位等；音响、空调等附属设备的控制都集合在一块触摸显示屏上；由于没有了发动机，仪表台下也空旷了许多；变速杆变成了4个按键。完全不是传统汽车的感觉。转动钥匙，按下D挡，起步很安静，完全一部电瓶车。提速均匀而平稳，来自轮边马达的驱动力很实在。由于重心的降低，给你提供了更好的操控力，驾驶感受清静而明快。

事实上，雪佛兰Sequel在许多方面的表现都比传统汽车更胜一筹——它更迅速、更平稳、更美观、更安全，也更便于生产制造。但因为还没有达到成熟的市场需求，这款概念车就此保持了沉默，相信只要有市场需求，它就会立刻转入实战。

记得在燃料电池概念车盛行的那几年，在上海车展长安汽车的展台上曾经见到过一款氢动力概念车，而在2008年的奥运会期间，还有20辆帕萨特领驭燃料电池车作为组委会用车行驶在北京街头，这可是国内自主研发的成果，也打开了国内汽车行业利用氢能源的首页。

说到国内燃料电池轿车的研发历程，就要说说国家863燃料电池轿车课题。在上海市政府的支持下，上燃动力联合上汽集团、同济大学等单位成功研制了具有完全自主知识产权的燃料电池轿车动力系统技术平台。历经2003年到2005年的三代“超越”燃料电池轿车的开发，到2006年，最新一代燃料电池轿车动力系统研制成功，并将该技术平台应用于上海大众帕萨特领驭车型。与第三代燃料电池车辆动力系统相比，新一代燃料电池轿车各项指标均有了大幅提高，最高车速达到150km/h，从静止加速到100km/h的时间缩短为15s，最大爬坡能力达到20%，一次加注氢的续驶里程达到300km，城市工况的氢气燃料消耗率小于1.2kg/100km。

在奥运期间，由20辆上海大众帕萨特领驭燃料电池轿车组成的规模庞大的燃料电池示范运行车队成为了大众汽车集团的绿色能源战略和同济大学、上汽集团的燃料电池技术的展示平台。

在2007年，BMW Hydrogen 7也来到了国内。当第一眼看到氢动力轿车BMW Hydrogen 7时，首先引人注目的特点应该是发动机舱盖。凸起的机舱盖突出了它与众不同的动力源，这一设计风格的变化实际上也是必需的，因为发动机的高度与普通12缸发动机相比要高很多，同时这种造型也清晰地强调出了发动机盖下面蕴藏着的独一无二的动力源。这款BMW推出的氢动力轿车BMW Hydrogen 7将清洁能源与豪华高性能结合在一起，在车辆结构变动不大的情况下为新能源汽车打开了一条路径。

BMW 7系Hydrogen 7轿车采用了191kW的12缸发动机，从静止到100km/h加速时间9.5s，最高车速电子限定为230km/h。如果不能保证氢的充分供应，BMW Hydrogen 7采用的双模式发动机可以迅速而方便地切换为用普通高级汽油做燃料的工作方式。氢燃料发动机基于汽油动力单元，BMW的发动机专家们按照双模驱动的要求对发动机进行了改进。在汽油模式下燃油通过直接喷射供应，同时在发动机进气系统中集成了氢供应管路。关键技术是喷射阀需要提供相应的燃料/空气混合气，在几毫秒内将正确量的氢气送入到进气之中。

氢的燃烧速度比普通燃油快10倍，实现了更高的效率水平。为确保充分利用这一潜能， V12动力单元需要由Valvetronic电子气门和Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统来保证极为灵活的发动机管理系统，使气体循环和喷射节奏与氢/空气混合气的特殊特性完美匹配。

BMW Hydrogen 7的动力单元在理想条件下全负荷运转，意味着氧和氢完全平衡（空燃比 = 1）。在氢动力模式下，这一混合比也可以提供最高的性能水平和低排放下的理想输出功率。在极高的燃烧温度下主要会产生氮氧化物（NOX）。为了抑制NOX形成，发动机部分负荷时在氧含量较高的状态下运行，相应地使空燃比系数大于2。

氢燃料罐采用双层壁式结构，包括在2mm厚的不锈钢板以及内罐和外罐之间30mm厚的真空超隔热层。高效的隔热作用可使在3～5巴压力作用下的液态氢气长时间保持在约-250℃的恒定温度。仅使用氢作为燃料的车辆要在公路上行驶将会受到一定的限制，为了满足实用性，车辆除配备了可容纳约8kg的液态氢罐外，还配有容量为74L的油箱，达到了超过700km的总续驶里程。

驾驶者可以通过多功能方向盘上一个单独的按钮手动完成从氢动力到汽油动力模式的转换。不管处于怎样的运行状态下，发动机功率和扭矩都不会有任何改变，模式转换也不会对BMW Hydrogen 7的行驶状态和性能造成影响。驾驶者只需按下转向信号灯操纵杆上的一个按钮，就可以检查两个燃料系统的燃料液位和剩余燃料可达里程。当在氢动力模式下行驶时，显示屏上不再显示车外温度和时间，而是显示分子氢的化学符号：H2，从而相当明确地告知驾驶者汽车目前在利用氢燃料行驶。BMW Hydrogen 7驾驭起来和传统车辆区别不大。

氢气来自自然之中或者是人工制造，氢气也可以从水分解而来，而能源来自太阳能或风能。当氢气被压缩后，就会具有比电池更高的能量密度，并且存储和运输都非常方便，所以它具有了未来能源的巨大潜力。与目前电动车的充电速度相比，充满可以跑700km的Mirai储氢罐大约只需要3分钟，而要为续航里程500km的特斯拉充满电至少需要5h。作为解决排放问题的终极方案之一，如果直接使用氢燃料电池，便直接达到了零排放的目标。按照丰田的计划，在2020年将实现美国和日本加氢无障碍。