【第一電動(dòng)網(wǎng)】（特約作者 羅新雨）2014年末，豐田發(fā)布了量產(chǎn)版豐田的氫燃料電池車Mirai(意為“未來(lái)”)，并宣布將在率先在日本本土上市。這顯然不是氫能或燃料電池車(下文稱FCV)第一次走入我們的視線。21世紀(jì)初美國(guó)總統(tǒng)布什和歐盟委員會(huì)主席普羅迪曾聯(lián)合開(kāi)展對(duì)氫能的研究，但在10年后也無(wú)功而返，美國(guó)投入的7.2億美元的研究基金很大一部分后來(lái)被美國(guó)能源部部長(zhǎng)朱棣文改用于對(duì)車用動(dòng)力電池的研究，不得不說(shuō)是一種向理性的回歸。如今，以日本豐田、本田、韓國(guó)現(xiàn)代、德國(guó)奔馳等公司為代表的一干車企再次將燃料電池車?yán)宪囌沟恼古_(tái)甚至經(jīng)銷商的展廳，是更高的技術(shù)讓FCV重獲希望還是另一個(gè)政治陷阱？值得我們深入剖析。

Mirai為何物？FCV為何物？

豐田Mirai來(lái)得突然么？其實(shí)并不突然。豐田對(duì)于FCV的研究從1992年就開(kāi)始了，比汽油-電力混動(dòng)車(下文稱HEV)還要早一些。但由于相關(guān)技術(shù)比如燃料電池反應(yīng)堆(特別是質(zhì)子交換膜)、儲(chǔ)氫罐的發(fā)展相對(duì)滯后，其腳步一直不如HEV快，而成本一直非常高。在Mirai發(fā)布之前，豐田也曾在2002年制造過(guò)6臺(tái)基于FCHV-4試驗(yàn)車的FCHV展示車，4臺(tái)供給日本政府使用，2臺(tái)供給美國(guó)加州的加州大學(xué)Irvine分校和Davis分校使用。此后2008年，豐田又推出過(guò)后繼車型FCHV-adv，里程更長(zhǎng)、冷天環(huán)境的啟動(dòng)能力也有了提高，不過(guò)其過(guò)高的月租金(上萬(wàn)美元)顯然和此次上市的Mirai不可同日而語(yǔ)，相較之下，同時(shí)期的普銳斯已經(jīng)進(jìn)入了收回初期開(kāi)發(fā)成本、大面積攻占美國(guó)節(jié)能車領(lǐng)地的黃金時(shí)代。

我想更大部分的讀者和我此前一樣，對(duì)FCV并沒(méi)有十足的了解。那我們先來(lái)從最淺層的工程技術(shù)看一看它到底是個(gè)什么構(gòu)造。FCV是Fuel Cell Vehicle的簡(jiǎn)稱。所謂Fuel Cell燃料電池是個(gè)高中化學(xué)有所涉及的概念，其實(shí)就是以原電池的形式，讓原本需要點(diǎn)燃反應(yīng)的兩種物質(zhì)(燃料和助燃劑)進(jìn)行反應(yīng)并放電的一種特殊的電池。從汽車的角度講，F(xiàn)CV實(shí)際上可以被看作一種電動(dòng)車，電池從一個(gè)儲(chǔ)能部件變成了一個(gè)中間蓄能部件，而儲(chǔ)能的功能由燃料蓄罐代替。廣義上講，F(xiàn)CV并不一定是燒氫氣的車，但就目前而言，沒(méi)有主流公司在研發(fā)諸如甲醇FCV或乙醇FCV的車型，因此，后文中提及的FCV僅指氫燃料FCV。

FCV和HEV的關(guān)系

事實(shí)上，F(xiàn)CV和HEV從構(gòu)造上是十分接近的。

Figure 1 四代Prius和Mirai （圖片來(lái)自evbud.com）

Figure 2 Mirai的動(dòng)力系統(tǒng)

Figure 3 Prius的動(dòng)力系統(tǒng)（圖片來(lái)自themotorreport.com.au ）

第一眼看到這兩張圖片肯定感覺(jué)是Mirai好復(fù)雜、Prius好簡(jiǎn)單。事實(shí)上也確實(shí)如此，甚至由于Prius的混動(dòng)系統(tǒng)如此優(yōu)雅而簡(jiǎn)潔，筆者花了好久才找到了這個(gè)相對(duì)比較直接的透視圖片。說(shuō)回到二者的近似點(diǎn)——我們知道Prius采用的power-split式混動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)行星齒輪系讓內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸入和電機(jī)的動(dòng)力輸入以及車輪的動(dòng)力輸出三者耦合在了一起，因此會(huì)在不同的工作狀態(tài)下以不同的形式工作。然而在FCV上，雖然有鎳氫動(dòng)力電池(下文簡(jiǎn)稱鎳氫電池)和氫燃料電池反應(yīng)堆(下文簡(jiǎn)稱反應(yīng)堆)，但后者并不可直接提供扭矩輸入。也就是說(shuō)，車的驅(qū)動(dòng)力唯一來(lái)自于電機(jī)。所以從這個(gè)角度講，F(xiàn)CV可以被稱為“純電動(dòng)車”(Pure EV)。但由于車輛的工作狀態(tài)會(huì)有加速、減速、巡航多種，當(dāng)動(dòng)力需求大時(shí)電力可以來(lái)自于反應(yīng)堆和鎳氫電池，而動(dòng)力需求小時(shí)可以僅來(lái)自于鎳氫電池。從這個(gè)角度講，F(xiàn)CV又可以被稱為“混動(dòng)車”(HEV)。不管怎么界定，F(xiàn)CV和HEV在諸如電機(jī)、制動(dòng)能量回收、電力電子(主要是boost converter)、鎳氫電池等環(huán)節(jié)具有很強(qiáng)的互換性。因此，能在2014年這個(gè)時(shí)間點(diǎn)推出首款面向市場(chǎng)的FCV，豐田顯然已經(jīng)做足了功課。從這個(gè)角度講，沒(méi)有過(guò)硬的混動(dòng)車技術(shù)積累車企想在FCV的道路上追趕，將會(huì)比EV難得多。想一想，你是否在近年來(lái)我國(guó)的新能源車發(fā)展規(guī)劃中讀到“鼓勵(lì)從FCV上長(zhǎng)足發(fā)展”之類的字句呢？請(qǐng)讀者自己體會(huì)一下。

FCV vs EV

了解了他的技術(shù)特點(diǎn)，作為消費(fèi)者，我們更關(guān)注的話題當(dāng)然是FCV的性能。以這款最新發(fā)表的Mirai為例：最大功率152馬力、最大扭矩335牛米的數(shù)據(jù)在其所在的中型車級(jí)別中最大功率不算大，不過(guò)考慮到低轉(zhuǎn)速高扭矩的電機(jī)特性，日常駕駛也足以應(yīng)付，只不過(guò)考慮到其1.85噸的整備質(zhì)量，想要獲得駕駛樂(lè)趣估計(jì)很困難。美國(guó)EPA官方公布的續(xù)航里程達(dá)到了502公里，十分優(yōu)秀。另一個(gè)它來(lái)自FCV本身的優(yōu)勢(shì)是充電速度，或者說(shuō)是加氫速度。官方數(shù)據(jù)是加滿僅需3~5分鐘 [1]。這實(shí)在是完勝一切電動(dòng)車。當(dāng)然肯定會(huì)有很多人說(shuō)到目前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相當(dāng)不完善，哪怕和少的可憐的充電樁數(shù)量相比。不過(guò)目前Mirai選擇上市的地區(qū)還都是有一定加氫站建設(shè)的，特別是日本的都市圈，已經(jīng)有了較完善的加氫站建設(shè)。至今年年底，東京、大阪、名古屋和福岡四大都市圈的市區(qū)和高速公路上建立100座加氫站 [2]。 不過(guò)即使如此大力投入，豐田自動(dòng)車、 HySUT(氫供給·利用技術(shù)研究組合)、日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省將燃料電池車在市場(chǎng)上的全面鋪開(kāi)的時(shí)間點(diǎn)設(shè)定在了2030年 [3]。

[4]上表中列出了FCV的代表豐田Mirai、HEV的代表豐田Prius和EV的代表Tesla Model S P85這三款車的基本性能數(shù)據(jù)。首先，三車市場(chǎng)區(qū)間定位的差異決定了動(dòng)力性并不能說(shuō)明太多問(wèn)題。但讓我們先來(lái)看看燃效/等效油耗。這里所謂WTW排放CO2指的是從“Well”(油井)到(“To”)“Wheel”(車輪)總共排放的二氧化碳。根據(jù)此項(xiàng)數(shù)據(jù)的來(lái)源——cleantechnica.com的作者Julian Cox估算，制氫的最低成本路線絕對(duì)不是用電解(下文稱“電解氫”)，而是用天然氣(下文稱“氣制氫”)。而且就目前的天然氣儲(chǔ)量和價(jià)格分析，如果FCV真的得到了推廣，那氣制氫的價(jià)格優(yōu)勢(shì)將一直持續(xù)下去，直到很久很久以后，那時(shí)全部采用可再生能源發(fā)電的EV才勉強(qiáng)和氣制氫的成本打個(gè)平手。這也就是為什么目前以豐田、戴姆勒為代表的幾家車企在努力吹捧FCV的真正原因。

氫能，一個(gè)更大的話題

“氫能”顯然指的是一種能源，而不僅僅是采用氫氣的FCV。那么氫能又是怎樣的概念呢？

其實(shí)文章一開(kāi)始提到的布什政府支持的氫能研究并不是最早該領(lǐng)域的開(kāi)始。早在1970年代，冷聚變領(lǐng)域(后文會(huì)有再次涉及)的先驅(qū)，南非人John O’M. Bockris教授，率先提出“氫能經(jīng)濟(jì)”(hydrogen economy)這一概念。他說(shuō)：“說(shuō)穿了，‘氫能經(jīng)濟(jì)’的本質(zhì)就是氫氣被用于從可再生能源(如太陽(yáng)能、核能)長(zhǎng)距離傳遞能量，并大量貯存(供給城市)。” [5]。也就是說(shuō)，氫氣本身并不會(huì)毫無(wú)緣由地存在在某個(gè)地方供人開(kāi)采，像目前我們開(kāi)采化石燃料一樣。它更像一種電的替代品，從始至終都只在扮演著能量的傳遞者的角色。

這意味著什么呢？這意味著我們?nèi)跃托枰业揭粋€(gè)能源來(lái)制造氫，然后把氫運(yùn)送到一個(gè)需要能量的地方儲(chǔ)存，然后再用燃料電池把這些氫的能量釋放出來(lái)，從而完成了一個(gè)能量傳遞的過(guò)程。

于是，想把氫能和環(huán)保結(jié)合起來(lái)，我們的目光則需要轉(zhuǎn)向制氫的源頭。只有當(dāng)人類能探明制氫的最廉價(jià)方式后，這個(gè)所謂的氫能時(shí)代才能真正到來(lái)。那這理想的“免費(fèi)能源”會(huì)是誰(shuí)呢？冷聚變。

冷聚變這個(gè)技術(shù)對(duì)于大多數(shù)車迷朋友們都很陌生，我也是個(gè)徹頭徹尾的外行。我們?cè)诖瞬蛔鲞^(guò)多深入的探究，只來(lái)淺層地了解一下它的由來(lái)和現(xiàn)今的發(fā)展。

如果你還能記得起你初高中時(shí)的一點(diǎn)點(diǎn)化學(xué)課知識(shí)，你肯定記得有這樣一個(gè)概念你的化學(xué)老師重復(fù)過(guò)很多遍：“化學(xué)反應(yīng)”指的是分子破裂成原子，原子重組的過(guò)程，而諸如核裂變、核聚變等破壞原子的反應(yīng)都不是“化學(xué)反應(yīng)”，而是“物理反應(yīng)”。好了，你記起來(lái)什么是核聚變了吧？原子(多指氘、氚)結(jié)合在一起形成新的元素的反應(yīng)就是核聚變。

那什么又是冷聚變呢？顧名思義，就是在“冷”的環(huán)境下完成的核聚變。而我們知道，普通的核聚變，即熱核聚變，是需要高溫高壓才能反應(yīng)的。但如果能把聚變的反應(yīng)條件降為常溫常壓，那對(duì)于整個(gè)人類的能源結(jié)構(gòu)都將帶來(lái)巨大的變革，而這就是研究冷聚變的意義。

1989年3月23日，弗萊希曼(Martin Fleishmann)和龐斯(Stanley Pons)(下文合稱二人為弗/龐)在美國(guó)猶他州鹽湖城的猶他大學(xué)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布發(fā)現(xiàn)了室溫核聚變(通稱為冷聚變)。實(shí)驗(yàn)中，弗/龐用鈀(Pd)作陰極、鉑(Pt)作陽(yáng)極電解含0.1MLiOD的重水溶液，氘進(jìn)入鈀陰極中產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)到過(guò)熱(輸出能與輸入能之差)和核產(chǎn)物。但這個(gè)驚天動(dòng)地的發(fā)現(xiàn)不但沒(méi)給他們帶來(lái)榮譽(yù)與掌聲，反而帶來(lái)了批駁和封殺。因?yàn)槿蚨鄠€(gè)頂尖科研機(jī)構(gòu)都無(wú)法重復(fù)弗/龐的實(shí)驗(yàn)，弗/龐的發(fā)現(xiàn)因此完全沒(méi)有可信性。當(dāng)年11月，美國(guó)能源部組織成立的一個(gè)由22人組成的專家小組，在經(jīng)過(guò)6個(gè)月的調(diào)查后，對(duì)冷核聚變給出了否定性的結(jié)論。美國(guó)的高級(jí)科普雜志《科學(xué)美國(guó)人》(Scientific American)甚至提出要給弗/龐頒發(fā)可恥諾貝爾獎(jiǎng)。 [6]

不過(guò)弗/龐雖然在此事件后名譽(yù)掃地，無(wú)法繼續(xù)留在猶他大學(xué)進(jìn)行科研工作，日本豐田汽車公司的前社長(zhǎng)豐田英二卻立即資助他們?cè)诜▏?guó)建立實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)研究。此后日本通產(chǎn)省也一同參與了該科研項(xiàng)目，但項(xiàng)目最終由于弗/龐二人的先后撤離而被迫停止。直到2013年，美國(guó)專利局授予美國(guó)海軍秘書長(zhǎng)一項(xiàng)名為“生成粒子的系統(tǒng)和方法”的專利，這是時(shí)隔24年后美國(guó)官方首次承認(rèn)冷聚變技術(shù)。

關(guān)于冷聚變就簡(jiǎn)單介紹到這里。我們這里思考一個(gè)問(wèn)題：如果冷聚變能夠?qū)崿F(xiàn)，它極高的能量密度和極低的成本可以讓每一個(gè)家庭、每一輛汽車都擁有自己的“小電站”，這時(shí)，讓FCV燒“電解氫”而不是“氣制氫”變得可行，但我們?yōu)楹芜€要費(fèi)事去電解水制氫氣然后讓燃料電池去燒來(lái)發(fā)電呢？直接用冷聚變反應(yīng)堆發(fā)的電驅(qū)動(dòng)汽車不就行了么？

因此，經(jīng)過(guò)這番分析，我們發(fā)現(xiàn)：

1. 在沒(méi)有冷聚變技術(shù)的情況下，氫氣的環(huán)保性遠(yuǎn)低于其他能源；

2. 在有冷聚變技術(shù)的情況下，沒(méi)有任何必要使用氫氣作為過(guò)渡燃料驅(qū)動(dòng)汽車或其他能量消費(fèi)者。

也就是說(shuō)，對(duì)于人類來(lái)講，“氫能經(jīng)濟(jì)”根本就是個(gè)死胡同。

日本又回來(lái)了

那為什么還會(huì)有公司主張F(tuán)CV呢？特別是豐田？

2013年6月13日，日本政府提出《日本再興戰(zhàn)略——JAPAN is BACK》的國(guó)家戰(zhàn)略，其中涉及到了推廣諸如家用氫氣燃料電池、氫燃料電池車等技術(shù)。國(guó)家為家用氫燃料電池?zé)崴魈峁?a class='link' href='http://m.22xuexi.com/tag/補(bǔ)貼' target='_blank'>補(bǔ)貼，多所大學(xué)在儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池催化劑等方面也都有多項(xiàng)科研成果完成。 [7]在汽車界，加氫站的建設(shè)在日本已經(jīng)如火如荼開(kāi)展多年，其密度已經(jīng)成為世界第一。

其實(shí)氫氣本身其實(shí)是可以由各種化石燃料、可再生能源制得的。除了前文我們提到的最高效的天然氣以外，利用煤特別是品位低、發(fā)熱量低的褐煤制氫是日本目前很關(guān)注的一個(gè)方向。川崎重工的氫氣項(xiàng)目發(fā)展中心正在研究該技術(shù)，并預(yù)計(jì)在2017年時(shí)，其設(shè)于西南澳大利亞Latrobe Valley煤礦的試點(diǎn)工廠將可以日產(chǎn)20噸的速度制氫。當(dāng)然，正如前文所說(shuō)的，用化石燃料制氫依舊會(huì)有二氧化碳排放，但在澳大利亞聯(lián)邦政府和維多利亞州政府決定在一處深海氣田中將制氫產(chǎn)生的二氧化碳深埋。[8]

回到本節(jié)開(kāi)始提出的問(wèn)題：為什么豐田如此積極推FCV？

與其說(shuō)是豐田自己的一次豪賭未來(lái)，不如說(shuō)是豐田參與了舉國(guó)共謀能源出路的一場(chǎng)合攻。所以，這蔚藍(lán)的氫能時(shí)代雖說(shuō)不一定給人類帶來(lái)更潔凈的空氣，但對(duì)于以日本為代表的能源緊缺國(guó)家來(lái)說(shuō)，它的出現(xiàn)可以有效緩解對(duì)單一能源的依賴。從這個(gè)角度講，F(xiàn)CV只不過(guò)是一個(gè)大棋局中的小小一枚兵卒而已。

引用文獻(xiàn)

[1](2014, Nov.) Toyota FCV Mirai launches in LA; initial TFCS specs; $57,500 or $499 lease; leaning on Prius analogy. [Online].

http://www.greencarcongress.com/2014/11/20141118-mirai.html

[2]NDTV. [Online]. http://profit.ndtv.com/news/corporates/article-japan-bets-big-on-making-fuel-cell-cars-a-near-future-reality-571779

[3]梁伯苓. (2014, July) 汽車點(diǎn)評(píng). [Online]. http://guide.xgo.com.cn/91/917565_all.html#all_1

[4]Julian Cox. (2014, June) Time To Come Clean About Hydrogen Fuel Cell Vehicles. [Online]. http://cleantechnica.com/2014/06/04/hydrogen-fuel-cell-vehicles-about-not-clean/

[5]Bockris. J., "The Origin of Ideas on a Hydrogen Economy and Its Solution to the Decay of the Environment," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 27, pp. 731-740, 2002.

[6]網(wǎng)友博客. (2014, Feb.) 冷聚變世界. [Online]. http://www.lenr.com.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=14&id=82

[7]Prime minister of Japan and his cabinet. (2013, June) Prime minister of Japan and his cabinet. [Online].https://www.kantei.go.jp/jp/singi/keizaisaisei/pdf/en_saikou_jpn_hon.pdf

[8]YOKO SHOJI and HISASHI IWATO. (2015, Sep.) NIKKEI Asian review. [Online]. http://asia.nikkei.com/magazine/20150903-LIVING-TOGETHER/Tech-Science/Kawasaki-Heavy-fighting-for-place-in-hydrogen-economy?page=2

[9]Panasonic. (2013) Panasonic Corporation. [Online]. http://panasonic.co.jp/ap/FC/en_doc03_05.html

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