一篇文章告訴你為什麼豐田非推氫燃料電池車不可

2014年末，豐田發布了量產版豐田的氫燃料電池車MIRAI(意為「未來」)，並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世紀初美國總統布希和歐盟委員會主席普羅迪曾聯合開展對氫能的研究，但在10年後也無功而返，美國投入的7.2億美元的研究基金很大一部分後來被美國能源部部長朱棣文改用於對車用動力電池的研究，不得不說是一種向理性的回歸。如今，以日本豐田、本田、韓國現代、德國賓士等公司為代表的一干車企再次將燃料電池車拉上車展的展台甚至經銷商的展廳，是更高的技術讓FCV重獲希望還是另一個政治陷阱?值得我們深入剖析。

Mirai為何物?FCV為何物?

豐田Mirai來得突然么?其實並不突然。豐田對於FCV的研究從1992年就開始了，比汽油-電力混動車(下文稱HEV)還要早一些。但由於相關技術比如燃料電池反應堆(特別是質子交換膜)、儲氫罐的發展相對滯後，其腳步一直不如HEV快，而成本一直非常高。在Mirai發布之前，豐田也曾在2002年製造過6台基於FCHV-4試驗車的FCHV展示車，4台供給日本政府使用，2台供給美國加州的加州大學Irvine分校和Davis分校使用。此後2008年，豐田又推出過後繼車型FCHV-adv，里程更長、冷天環境的啟動能力也有了提高，不過其過高的月租金(上萬美元)顯然和此次上市的Mirai不可同日而語，相較之下，同時期的普銳斯已經進入了收回初期開發成本、大面積攻佔美國節能車領地的黃金時代。

我想更大部分的讀者和我此前一樣，對FCV並沒有十足的了解。那我們先來從最淺層的工程技術看一看它到底是個什麼構造。FCV是Fuel Cell Vehicle的簡稱。所謂Fuel Cell燃料電池是個高中化學有所涉及的概念，其實就是以原電池的形式，讓原本需要點燃反應的兩種物質(燃料和助燃劑)進行反應並放電的一種特殊的電池。從汽車的角度講，FCV實際上可以被看作一種電動車，電池從一個儲能部件變成了一個中間蓄能部件，而儲能的功能由燃料蓄罐代替。廣義上講，FCV並不一定是燒氫氣的車，但就目前而言，沒有主流公司在研發諸如甲醇FCV或乙醇FCV的車型，因此，後文中提及的FCV僅指氫燃料FCV。

FCV和HEV的關係

事實上，FCV和HEV從構造上是十分接近的。

&nbsP;

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

Figure 2 Mirai的動力系統

Figure 3 Prius的動力系統(圖片來自themotorREPort.com.au )

第一眼看到這兩張圖片肯定感覺是Mirai好複雜、Prius好簡單。事實上也確實如此，甚至由於Prius的混動系統如此優雅而簡潔，筆者花了好久才找到了這個相對比較直接的透視圖片。說回到二者的近似點——我們知道Prius採用的Power-split式混動系統通過一個行星齒輪系讓內燃機的動力輸入和電機的動力輸入以及車輪的動力輸出三者耦合在了一起，因此會在不同的工作狀態下以不同的形式工作。然而在FCV上，雖然有鎳氫動力電池(下文簡稱鎳氫電池)和氫燃料電池反應堆(下文簡稱反應堆)，但後者並不可直接提供扭矩輸入。也就是說，車的驅動力唯一來自於電機。所以從這個角度講，FCV可以被稱為「純電動車」(Pure EV)。但由於車輛的工作狀態會有加速、減速、巡航多種，當動力需求大時電力可以來自於反應堆和鎳氫電池，而動力需求小時可以僅來自於鎳氫電池。從這個角度講，FCV又可以被稱為「混動車」(HEV)。不管怎麼界定，FCV和HEV在諸如電機、制動能量回收、電力電子(主要是boost converter)、鎳氫電池等環節具有很強的互換性。因此，能在2014年這個時間點推出首款面向市場的FCV，豐田顯然已經做足了功課。從這個角度講，沒有過硬的混動車技術積累車企想在FCV的道路上追趕，將會比EV難得多。想一想，你是否在近年來我國的新能源車發展規劃中讀到「鼓勵從FCV上長足發展」之類的字句呢?請讀者自己體會一下。

FCV vs EV

了解了他的技術特點，作為消費者，我們更關注的話題當然是FCV的性能。以這款最新發表的Mirai為例：最大功率152馬力、最大扭矩335牛米的數據在其所在的中型車級別中最大功率不算大，不過考慮到低轉速高扭矩的電機特性，日常駕駛也足以應付，只不過考慮到其1.85噸的整備質量，想要獲得駕駛樂趣估計很困難。美國EPA官方公布的續航里程達到了502公里，十分優秀。另一個它來自FCV本身的優勢是充電速度，或者說是加氫速度。官方數據是加滿僅需3~5分鐘 [1]。這實在是完勝一切電動車。當然肯定會有很多人說到目前的基礎設施建設相當不完善，哪怕和少的可憐的充電樁數量相比。不過目前Mirai選擇上市的地區還都是有一定加氫站建設的，特別是日本的都市圈，已經有了較完善的加氫站建設。至今年年底，東京、大阪、名古屋和福岡四大都市圈的市區和高速公路上建立100座加氫站 [2]。 不過即使如此大力投入，豐田自動車、 HySUT(氫供給·利用技術研究組合)、日本經濟產業省將燃料電池車在市場上的全面鋪開的時間點設定在了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據。首先，三車市場區間定位的差異決定了動力性並不能說明太多問題。但讓我們先來看看燃效/等效油耗。這裡所謂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。根據此項數據的來源——cleanTECHnica.com的作者Julian Cox估算，制氫的最低成本路線絕對不是用電解(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量和價格分析，如果FCV真的得到了推廣，那氣制氫的價格優勢將一直持續下去，直到很久很久以後，那時全部採用可再生能源發電的EV才勉強和氣制氫的成本打個平手。這也就是為什麼目前以豐田、戴姆勒為代表的幾家車企在努力吹捧FCV的真正原因。

氫能，一個更大的話題

「氫能」顯然指的是一種能源，而不僅僅是採用氫氣的FCV。那麼氫能又是怎樣的概念呢?

其實文章一開始提到的布希政府支持的氫能研究並不是最早該領域的開始。早在1970年代，冷聚變領域(後文會有再次涉及)的先驅，南非人John O』M. Bockris教授，率先提出「氫能經濟」(hydroGEn economy)這一概念。他說：「說穿了，『氫能經濟』的本質就是氫氣被用於從可再生能源(如太陽能、核能)長距離傳遞能量，並大量貯存(供給城市)。」 [5]。也就是說，氫氣本身並不會毫無緣由地存在在某個地方供人開採，像目前我們開採化石燃料一樣。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。

這意味著什麼呢?這意味著我們仍就需要找到一個能源來製造氫，然後把氫運送到一個需要能量的地方儲存，然後再用燃料電池把這些氫的能量釋放出來，從而完成了一個能量傳遞的過程。

於是，想把氫能和環保結合起來，我們的目光則需要轉向制氫的源頭。只有當人類能探明制氫的最廉價方式後，這個所謂的氫能時代才能真正到來。那這理想的「免費能源」會是誰呢?冷聚變。

冷聚變這個技術對於大多數車迷朋友們都很陌生，我也是個徹頭徹尾的外行。我們在此不做過多深入的探究，只來淺層地了解一下它的由來和現今的發展。

如果你還能記得起你初高中時的一點點化學課知識，你肯定記得有這樣一個概念你的化學老師重複過很多遍：「化學反應」指的是分子破裂成原子，原子重組的過程，而諸如核裂變、核聚變等破壞原子的反應都不是「化學反應」，而是「物理反應」。好了，你記起來什麼是核聚變了吧?原子(多指氘、氚)結合在一起形成新的元素的反應就是核聚變。

那什麼又是冷聚變呢?顧名思義，就是在「冷」的環境下完成的核聚變。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的。但如果能把聚變的反應條件降為常溫常壓，那對於整個人類的能源結構都將帶來巨大的變革，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)在美國猶他州鹽湖城的猶他大學召開新聞發布會，宣布發現了室溫核聚變(通稱為冷聚變)。實驗中，弗/龐用鈀(Pd)作陰極、鉑(Pt)作陽極電解含0.1MLiOD的重水溶液，氘進入鈀陰極中產生核聚變反應。在實驗過程中測到過熱(輸出能與輸入能之差)和核產物。但這個驚天動地的發現不但沒給他們帶來榮譽與掌聲，反而帶來了批駁和封殺。因為全球多個頂尖科研機構都無法重複弗/龐的實驗，弗/龐的發現因此完全沒有可信性。當年11月，美國能源部組織成立的一個由22人組成的專家小組，在經過6個月的調查後，對冷核聚變給出了否定性的結論。美國的高級科普雜誌《科學美國人》(Scientific American)甚至提出要給弗/龐頒發可恥諾貝爾獎。 [6]

不過弗/龐雖然在此事件後名譽掃地，無法繼續留在猶他大學進行科研工作，日本豐田汽車公司的前社長豐田英二卻立即資助他們在法國建立實驗室繼續研究。此後日本通產省也一同參與了該科研項目，但項目最終由於弗/龐二人的先後撤離而被迫停止。直到2013年，美國專利局授予美國海軍秘書長一項名為「生成粒子的系統和方法」的專利，這是時隔24年後美國官方首次承認冷聚變技術。

關於冷聚變就簡單介紹到這裡。我們這裡思考一個問題：如果冷聚變能夠實現，它極高的能量密度和極低的成本可以讓每一個家庭、每一輛汽車都擁有自己的「小電站」，這時，讓FCV燒「電解氫」而不是「氣制氫」變得可行，但我們為何還要費事去電解水制氫氣然後讓燃料電池去燒來發電呢?直接用冷聚變反應堆發的電驅動汽車不就行了么?

因此，經過這番分析，我們發現：

1. 在沒有冷聚變技術的情況下，氫氣的環保性遠低於其他能源;

2. 在有冷聚變技術的情況下，沒有任何必要使用氫氣作為過渡燃料驅動汽車或其他能量消費者。

也就是說，對於人類來講，「氫能經濟」根本就是個死胡同。

日本又回來了

那為什麼還會有公司主張FCV呢?特別是豐田?

2013年6月13日，日本政府提出《日本再興戰略——JAPAN is BACK》的國家戰略，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。國家為家用氫燃料電池熱水器提供補貼，多所大學在儲氫罐、氫燃料電池催化劑等方面也都有多項科研成果完成。 [7]在汽車界，加氫站的建設在日本已經如火如荼開展多年，其密度已經成為世界第一。

其實氫氣本身其實是可以由各種化石燃料、可再生能源製得的。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、發熱量低的褐煤制氫是日本目前很關注的一個方向。川崎重工的氫氣項目發展中心正在研究該技術，並預計在2017年時，其設於西南澳大利亞Latrobe Valley煤礦的試點工廠將可以日產20噸的速度制氫。當然，正如前文所說的，用化石燃料制氫依舊會有二氧化碳排放，但在澳大利亞聯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生的二氧化碳深埋。[8]

回到本節開始提出的問題：為什麼豐田如此積極推FCV?

與其說是豐田自己的一次豪賭未來，不如說是豐田參與了舉國共謀能源出路的一場合攻。所以，這蔚藍的氫能時代雖說不一定給人類帶來更潔凈的空氣，但對於以日本為代表的能源緊缺國家來說，它的出現可以有效緩解對單一能源的依賴。從這個角度講，FCV只不過是一個大棋局中的小小一枚兵卒而已。