燃料电池汽车的前世今生

1838年，德国化学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班提出了燃料电池的原理。

1991年，罗杰·比林斯开发了世界上第一个汽车燃料电池。

1992年，在政府的支持下，各国汽车制造商开始大力发展燃料电池汽车；

1994年，世界上第一辆燃料电池汽车梅赛德斯-奔驰NECARI问世。

2013年，丰田在东京车展上展出了FCV概念车，并于2015年宣布了生产版本。

单从这些短短的生产线，我们无法知道这辆即将量产的燃料电池汽车经历了怎样的风雨。然而，我们只能从时间上看到冰山一角。从汽车燃料电池的出现到第一辆汽车的出现只用了三年时间，但从第一辆燃料电池汽车的出现到一辆能够给出特定上市时间的汽车只用了九年时间。

在这九年里，燃料电池汽车经历了几次起起落落。每隔一段时间，燃料电池汽车就会在某项技术上取得重大突破，刷出存在感。然而，那些悬而未决的问题总是让人们对他产生怀疑，而不是支持他，因此他们被混合动力和纯电动汽车的争论所推波助澜。

以丰田为代表的汽车制造商越来越沮丧。除了丰田明确的时间表外，宝马还与丰田签署了合作协议，共同推进燃料电池研究；本田还将于2015年推出下一代FCX Clarity；现代汽车计划明年春天在加州启动ix35租赁项目；福特、戴姆勒和日产已经联合，最初的上市时间定在2017年；最早进入燃料电池领域的通用汽车也与本田联手，产品将于2015-2017年左右问世。

氢和氧之间的“定年”

从结构上讲，燃料电池汽车的动力系统与混合动力汽车非常相似，但不同之处在于混合动力汽车的发动机被燃料电池堆取代；

本质上，燃料电池汽车更类似于内燃机汽车，不同之处在于内燃机汽车将热能转化为机械能来驱动汽车，而燃料电池汽车则通过燃料电池发电，然后将电能转化为机械能量。

燃料电池的工作原理很简单。燃料电池由三个相邻部分组成：阳极、电解质和阴极。在两个相邻的部分之间，将发生化学反应，氢气将在阳极发生氧化反应，氧气将在阴极发生还原反应，从而消耗燃料，产生电流，并驱动系统上负载的电气设备，包括电机、车载设备和部件。

燃料电池原理

为了提供所需的输出能量，在汽车中使用由燃料电池组成的燃料电池堆。与电动汽车中的电池相比，燃料电池组在重量上具有很大优势。此外，由于燃料电池汽车自带发电设备，不需要从电网获取电力，只需要在适当的时候补充燃料，因此不存在电动车里程焦虑的普遍问题。

对于燃料电池来说，关键在于氢气和化学反应催化剂的获取。

氢气是一种极易燃烧的气体。虽然它在室温下具有很高的稳定性，但在被点燃或加热后很容易与其他物质发生反应。此外，它重量轻，扩散快，因此氢气的储存和运输一直是燃料电池发展中的一个主要问题。然而，由于氢气的储存和运输与燃料油相似，在开发初期，加油站可以改造成加油站。因此，与电动汽车相比，建立一个全新的充电站并不完全是一个缺点。

众所周知，获得氢气最简单的方法是电解水，尽管很简单，但消耗大量电力。对于燃料电池来说，电解水以获得氢气，然后使用氢气作为燃料发电似乎是一条弯路。人们也对能源转换效率提出了质疑。最常见的说法是，生产氢气所消耗的能量远远大于其所能产生的能量。

最后的问题在于所使用的催化剂。在氢的氧化反应和氧的还原反应中使用的催化剂是稀有金属铂。这个名字可能大家并不熟悉，但它的通用名称对许多人来说并不陌生。在自然界中，铂比黄金更稀有，它经常被用作制作珍贵珠宝的材料。因此，由于铂的存在，燃料电池的成本正在上升。

正是这些因素使燃料电池汽车处于市场的边缘。经过九年的发展，燃料电池汽车再次重见天日。其中，丰田在燃料电池汽车领域表现最为执着。如果把燃料电池汽车的出现比作向西方学习，那么燃料电池的这些缺点就是向西方学习路上的怪物。下面，我们就来看看“老大哥”丰田是如何用72个变化来应对这81个磨难的。

基础设施障碍

氢气分子量小、易泄漏、易燃性高等物理特性使其储存和运输极为困难：必须确保其不会造成过度损失，并确保整个过程的安全。

早期，由于燃料电池技术的限制，氢气必须以液体形式储存。然而，在标准大气压下，氢气只有在MINUS 253℃时才会以液体形式存在，因此必须使用特殊的“保温”容器来储存液氢。液氢非常容易蒸发，因此存在燃料电池车辆停放很长时间后氢罐变空的现象。

丰田的燃料电池汽车配备了一对“三型”塑料氢气罐，罐内压力为10000磅/平方英寸。为了确保油箱的强度，丰田使用碳纤维材料作为加强材料来包裹油箱的外部。

丰田FCHV adv燃料电池概念车

在安全性方面，为了使新型氢燃料电池汽车达到美国汽车工程师协会制定的标准，丰田对燃料电池汽车进行了多次碰撞测试。其设计原则是，即使由于交通事故或其他原因导致氢气管道破裂，也能确保车内乘员的安全。

与此同时，一个……

丰田的燃料电池汽车安装了紧急氢气排放装置。在紧急情况下，可燃部件中的残余氢气可以在几分钟内完全排出。

净能量损失者？

几乎每次燃料电池的消息发布，插电式汽车的粉丝都会做出回应，而制造氢气所消耗的能量远远大于氢气产生的能量。这种说法，对于燃料电池来说，有点不公平，所以对于汽油或其他类型的能源，两者之间的比较从未被提及。事物之间的比较应该建立在相同的基础上。

丰田技术中心总工程师Matt McClory回应称：“无论是内燃机产生的热能、电池产生的电能还是燃料电池产生的电力，都低于制造这些能源所消耗的能量。”，“这个过程符合能量定律。在能量变化的过程中，会有损失，转换过程越多，损失就越多。这对任何形式的电力系统都是一样的。”

事实上，电解水和氢气的过程确实需要消耗大量的能量。制造一公斤氢气需要50-60千瓦时，丰田FCHV-adv可以储存6公斤氢气。与高达80%-85%的汽油生产效率相比，目前氢气的生产效率仅为50%-60%。然而，随着技术的进步，这一数字将逐渐增加。更重要的是，尽管氢气的生产效率较低，但其热效率较高，最终45%的总热效率是电动汽车无法比拟的。

不同燃料的效率比较

此外，对于天然气资源丰富的地区，也可以用天然气作为原料生产氢气。目前采用的技术是气态甲烷裂变技术，将高压蒸汽注入天然气中分解提取氢气。以这种方式提取的氢气具有高纯度，可以直接用于燃料电池汽车。

高成本战争

我们已经知道，制造燃料电池需要使用非常昂贵的铂金属。经过多年的研究，到目前为止还没有找到合格的铂替代品，这使得燃料电池的成本居高不下。

尽管没有比铂金属更适合或等效的替代材料，但这并不是降低成本的唯一方法。

丰田在制造燃料电池催化剂的过程中取得了巨大进展。通过在催化剂表面镀铂金属，大大减少了铂金属的使用，这也降低了燃料电池的成本。

此外，目前丰田燃料电池汽车中的铂金属含量与清洁柴油车催化剂中使用的铂金属成分基本相同，未来有可能将燃料电池中的铂含量降低到低于清洁柴油车的水平。

基于此，丰田表示，燃料电池汽车的价格不会高于5万美元（约合人民币30万元）。尽管它仍然很高，但与100万美元的单价相比，它已经取得了相当大的进步。而且，与纯电动汽车相比，这个价格已经占据了优势。

燃料电池的额外成本来自于氢站的建设。然而，如上所述，与电动汽车相比，燃料电池汽车在这方面也具有优势：

首先，最初的加油站可以由加油站改造而成，而电动汽车的充电站和充电桩需要分开建造；

其次，最初的加油站预计每天为50辆燃料电池汽车补充氢气，但加油站是可扩展的。随着规模的增加，最终的加油站每天可以为数千辆燃料电池汽车加油，这意味着平均每千辆燃料电池车辆配备一个加油站，而每辆电动汽车平均需要配备1.5个充电器。

当燃料电池生产汽车正式上市时，这相当于人们历经磨难，获得了真相。然而，取经只是第一步，传播真经和获得人们的信仰才是更重要的一步。

尽管面对电动汽车，燃料电池汽车并不处于劣势。然而，电动汽车也在突飞猛进地发展。当纯电动汽车迅速成熟，续航里程延长，充电时间在一定程度上缩短时，燃料电池汽车是否仍具有竞争优势还不得而知，更不用说已经被市场认可和接受的混合动力汽车了。

当基础设施同样完善，能源危机越来越严重时，燃油车和电动汽车就站在了同一高度。到那时，将燃料电池汽车推向主流的因素是什么？燃料电池的优势会产生这种影响，并成为消费者心中根深蒂固的习惯吗？1838年，德国化学家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班提出了燃料电池的原理。

1991年，罗杰·比林斯开发了世界上第一个汽车燃料电池。

1992年，在政府的支持下，各国汽车制造商开始大力发展燃料电池汽车；

1994年，世界上第一辆燃料电池汽车梅赛德斯-奔驰NECARI问世。

2013年，丰田在东京车展上展出了FCV概念车，并于2015年宣布了生产版本。

单从这些短短的生产线，我们无法知道这辆即将量产的燃料电池汽车经历了怎样的风雨。然而，我们只能从时间上看到冰山一角。从汽车燃料电池的出现到第一辆汽车的出现只用了三年时间，但从第一辆燃料电池汽车的出现到一辆能够给出特定上市时间的汽车只用了九年时间。

在这九年里，燃料电池汽车经历了几次起起落落。每隔一段时间，燃料电池汽车就会在某项技术上取得重大突破，刷出存在感。然而，那些悬而未决的问题总是让人们对他产生怀疑，而不是支持他，因此他们被混合动力和纯电动汽车的争论所推波助澜。

以丰田为代表的汽车制造商越来越沮丧。除了丰田明确的时间表外，宝马还与丰田签署了合作协议，共同推进燃料电池研究；本田还将于2015年推出下一代FCX Clarity；现代汽车计划明年春天在加州启动ix35租赁项目；福特、戴姆勒和日产已经联合，最初的上市时间定在2017年；最早进入燃料电池领域的通用汽车也与本田联手，产品将于2015-2017年左右问世。

氢和氧之间的“定年”

从结构上讲，燃料电池汽车的动力系统与混合动力汽车非常相似，但不同之处在于混合动力汽车的发动机被燃料电池堆取代；

本质上，燃料电池汽车更类似于内燃机汽车，不同之处在于内燃机汽车将热能转化为机械能来驱动汽车，而燃料电池汽车则通过燃料电池发电，然后将电能转化为机械能量。

燃料电池的工作原理很简单。燃料电池由三个相邻部分组成：阳极、电解质和阴极。在两个相邻的部分之间，将发生化学反应，氢气将在阳极发生氧化反应，氧气将在阴极发生还原反应，从而消耗燃料，产生电流，并驱动系统上负载的电气设备，包括电机、车载设备和部件。

燃料电池原理

为了提供所需的输出能量，在汽车中使用由燃料电池组成的燃料电池堆。与电动汽车中的电池相比，燃料电池组在重量上具有很大优势。此外，由于燃料电池汽车自带发电设备，不需要从电网获取电力，只需要在适当的时候补充燃料，因此不存在电动车里程焦虑的普遍问题。

对于燃料电池来说，关键在于氢气和化学反应催化剂的获取。

氢气是一种极易燃烧的气体。虽然它在室温下具有很高的稳定性，但在被点燃或加热后很容易与其他物质发生反应。此外，它重量轻，扩散快，因此氢气的储存和运输一直是燃料电池发展中的一个主要问题。然而，由于氢气的储存和运输与燃料油相似，在开发初期，加油站可以改造成加油站。因此，与电动汽车相比，建立一个全新的充电站并不完全是一个缺点。

众所周知，获得氢气最简单的方法是电解水，尽管很简单，但消耗大量电力。对于燃料电池来说，电解水以获得氢气，然后使用氢气作为燃料发电似乎是一条弯路。人们也对能源转换效率提出了质疑。最常见的说法是，生产氢气所消耗的能量远远大于其所能产生的能量。

最后的问题在于所使用的催化剂。在氢的氧化反应和氧的还原反应中使用的催化剂是稀有金属铂。这个名字可能大家并不熟悉，但它的通用名称对许多人来说并不陌生。在自然界中，铂比黄金更稀有，它经常被用作制作珍贵珠宝的材料。因此，由于铂的存在，燃料电池的成本正在上升。

正是这些因素使燃料电池汽车处于市场的边缘。经过九年的发展，燃料电池汽车再次重见天日。其中，丰田在燃料电池汽车领域表现最为执着。如果把燃料电池汽车的出现比作向西方学习，那么燃料电池的这些缺点就是向西方学习路上的怪物。下面，我们就来看看“老大哥”丰田是如何用72个变化来应对这81个磨难的。

基础设施障碍

氢气分子量小、易泄漏、易燃性高等物理特性使其储存和运输极为困难：必须确保其不会造成过度损失，并确保整个过程的安全。

早期，由于燃料电池技术的限制，氢气必须以液体形式储存。然而，在标准大气压下，氢气只有在MINUS 253℃时才会以液体形式存在，因此必须使用特殊的“保温”容器来储存液氢。液氢非常容易蒸发，因此存在燃料电池车辆停放很长时间后氢罐变空的现象。

丰田的燃料电池汽车配备了一对“三型”塑料氢气罐，罐内压力为10000磅/平方英寸。为了确保油箱的强度，丰田使用碳纤维材料作为加强材料来包裹油箱的外部。

丰田FCHV adv燃料电池概念车

在安全性方面，为了使新型氢燃料电池汽车达到美国汽车工程师协会制定的标准，丰田对燃料电池汽车进行了多次碰撞测试。其设计原则是，即使由于交通事故或其他原因导致氢气管道破裂，也能确保车内乘员的安全。

与此同时，一个……

丰田的燃料电池汽车安装了紧急氢气排放装置。在紧急情况下，可燃部件中的残余氢气可以在几分钟内完全排出。

净能量损失者？

几乎每次燃料电池的消息发布，插电式汽车的粉丝都会做出回应，而制造氢气所消耗的能量远远大于氢气产生的能量。这种说法，对于燃料电池来说，有点不公平，所以对于汽油或其他类型的能源，两者之间的比较从未被提及。事物之间的比较应该建立在相同的基础上。

丰田技术中心总工程师Matt McClory回应称：“无论是内燃机产生的热能、电池产生的电能还是燃料电池产生的电力，都低于制造这些能源所消耗的能量。”，“这个过程符合能量定律。在能量变化的过程中，会有损失，转换过程越多，损失就越多。这对任何形式的电力系统都是一样的。”

事实上，电解水和氢气的过程确实需要消耗大量的能量。制造一公斤氢气需要50-60千瓦时，丰田FCHV-adv可以储存6公斤氢气。与高达80%-85%的汽油生产效率相比，目前氢气的生产效率仅为50%-60%。然而，随着技术的进步，这一数字将逐渐增加。更重要的是，尽管氢气的生产效率较低，但其热效率较高，最终45%的总热效率是电动汽车无法比拟的。

不同燃料的效率比较

此外，对于天然气资源丰富的地区，也可以用天然气作为原料生产氢气。目前采用的技术是气态甲烷裂变技术，将高压蒸汽注入天然气中分解提取氢气。以这种方式提取的氢气具有高纯度，可以直接用于燃料电池汽车。

高成本战争

我们已经知道，制造燃料电池需要使用非常昂贵的铂金属。经过多年的研究，到目前为止还没有找到合格的铂替代品，这使得燃料电池的成本居高不下。

尽管没有比铂金属更适合或等效的替代材料，但这并不是降低成本的唯一方法。

丰田在制造燃料电池催化剂的过程中取得了巨大进展。通过在催化剂表面镀铂金属，大大减少了铂金属的使用，这也降低了燃料电池的成本。

此外，目前丰田燃料电池汽车中的铂金属含量与清洁柴油车催化剂中使用的铂金属成分基本相同，未来有可能将燃料电池中的铂含量降低到低于清洁柴油车的水平。

基于此，丰田表示，燃料电池汽车的价格不会高于5万美元（约合人民币30万元）。尽管它仍然很高，但与100万美元的单价相比，它已经取得了相当大的进步。而且，与纯电动汽车相比，这个价格已经占据了优势。

燃料电池的额外成本来自于氢站的建设。然而，如上所述，与电动汽车相比，燃料电池汽车在这方面也具有优势：

首先，最初的加油站可以由加油站改造而成，而电动汽车的充电站和充电桩需要分开建造；

其次，最初的加油站预计每天为50辆燃料电池汽车补充氢气，但加油站是可扩展的。随着规模的增加，最终的加油站每天可以为数千辆燃料电池汽车加油，这意味着平均每千辆燃料电池车辆配备一个加油站，而每辆电动汽车平均需要配备1.5个充电器。

当燃料电池生产汽车正式上市时，这相当于人们历经磨难，获得了真相。然而，取经只是第一步，传播真经和获得人们的信仰才是更重要的一步。

尽管面对电动汽车，燃料电池汽车并不处于劣势。然而，电动汽车也在突飞猛进地发展。当纯电动汽车迅速成熟，续航里程延长，充电时间在一定程度上缩短时，燃料电池汽车是否仍具有竞争优势还不得而知，更不用说已经被市场认可和接受的混合动力汽车了。

当基础设施同样完善，能源危机越来越严重时，燃油车和电动汽车就站在了同一高度。到那时，将燃料电池汽车推向主流的因素是什么？燃料电池的优势会产生这种影响，并成为消费者心中根深蒂固的习惯吗？

标签：丰田本田奔驰宝马福特

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