老婆饼里没有老婆,燃料电池不是电池……

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新能源汽车主要包括纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCV)。现阶段,EV和PHEV都已得到大力推广。但是,FCV的商业化进程仍然发展缓慢,为什么会这样呢?一起来扒一扒FCV背后的那些事儿吧!

你真的了解燃料电池汽车吗?

燃料电池汽车主要的部件包括燃料电池发动机、高压储氢罐、电机,工作原理与传统汽油车有一些相似之处。高压储氢罐好比油箱,用于存储氢气。燃料电池发动机其实就是发电机,氢气与空气输入其中,输出电能,电能驱动电机,电机驱动车轮,从而使汽车行驶。

燃料电池汽车的核心部件为燃料电池发动机。里面发生的化学反应原理其实很简单,初中化学就有教过,就是氢气与氧气反应生成水。但这不是个简单的燃烧过程,而是发生电化学反应。简单来说,就是反应产生的能量以电能的形式存在,而不是燃烧产生热能。

微观来讲,燃料电池堆内部是由一片一片单电池组成的,每片单电池能够输出的电压都不高,一般在0.6~1.0V范围内,所有单电池串联在一起就组成了燃料电池堆。


单电池有两个电极,氢气通到一个电极上,在催化剂表面电离成氢离子与电子。氢离子通过一层薄膜流向另一极,电子则通过外部电路流向另一极。在另一极上呢,氧气在催化剂上得到电子电离成氧离子,然后和薄膜里的氢离子反应生成水。


这里面有两个关键的东西:一个是薄膜,学名是质子交换膜。这个膜不导电子、不能通过气体,但是能通过氢离子。膜不能做太厚,太厚的话氢离子移动到另一个电极的阻力就太大了;也不能太薄,太薄的话机械强度不够,而且容易穿孔,膜穿孔氢气与氧气混到一起就不好玩了。所以膜的生产成本很高,约占整个燃料电池堆成本的三分之一。


麦格纳的氢燃料电池测试车

另一个就是催化剂,现在使用最广泛的就是铂金,没错,就是做首饰的铂金,现在的铂金价格大约是200元/克,催化剂的成本也是占了电堆总成本的三分之一。

为什么说燃料电池是新能源汽车的救星?

燃料电池汽车作为新能源汽车,最大的特点就是零排放,人家烧油排放二氧化碳,我就只排放水。混动车型虽说排放大大减少,但多多少少也是有尾气排放的。


奔驰F-CELL在加氢

和纯电动汽车相比,燃料电池汽车并不存在里程焦虑的问题。你开个电动车出门,总要算着出行距离,盯着剩余里程看,跑个长途就怕半路没电,还要担心找不到充电桩,找到了充电桩充电时间也比较长。虽然现在快充技术在快速发展,但还没有达到媲美汽油车的程度,加个油分分钟就完事了。

丰田Mirai燃料电池车

燃料电池车,首先,面世的几款车型续航里程已经能够达到汽油车水平,其次,加氢时间也和加油差不多,几分钟就足够了。

燃料电池汽车的NVH特性比较好,因为内部没有机械移动部件,开起来不像汽油车能感受到发动机的抖动,就像开电动车,只有风噪、胎噪以及电动机的啸叫。

如今燃料电池车是啥情况?

现阶段,燃料电池汽车虽然是发展的热点,但是距离大规模的商业化推广仍然有很长的路要走。各大整车厂都已推出或者有计划推出各自的燃料电池车。


日本的两田分别推出了Mirai和Clarity;韩国现代在2017年上海车展也展出了自己的燃料电池概念车;国内燃料电池多应用在商用车上,比如上汽大通的FCV80燃料电池轻客,同时也有一些燃料电池公交车在做示范运行。可以说国内的燃料电池汽车发展同国外相比仍然存在很大差距。

现代的燃料电池概念车

国内的燃料电池汽车发展缓慢,主要有以下几方面的原因。当然了,这些也不仅仅是国内的问题,可以说全球的燃料电池车发展或多或少都有这些问题。

混合动力的普锐斯,很多技术可以移植到燃料电池车上

首先,从燃料电池堆本身来看,存在着成本高和寿命短两大问题。虽然随着技术进步,生产成本在逐步降低,但与传统汽车相比,成本仍然处在高位。丰田MIRAI的售价相对其他燃料电池车型要来的低,一方面是因为技术领先,另一方面也是因为其采用了模块化生产方式,很多零部件都是与PRIUS共用的,PRIUS生产了那么多,成本肯定下降了很多。


另外,寿命短也是一大问题,美国能源部认为乘用车的燃料电池堆在运行5000小时以后,如果性能衰减小于10%的话,那么就能够满足商业化应用。2015年,全国36大城市平均通勤时间为39.1min,平均通勤时间最长的上海为57.6min,最短的拉萨为26.8min。

如果按照上海的平均通勤时间计算的话,一年365天,那么5000小时寿命能够满足14年使用,这样看来,5000小时寿命是基本能够满足私人家庭使用的。国内的燃料电池寿命水平距离这一目标还是有差距的。

其次,燃料电池汽车需要配套加氢站,但是国内的加氢站屈指可数,目前在运行的有9个,这个数量远远不能够使得燃料电池汽车走进千家万户。


燃料电池车需要很坚固的储氢罐

最后是安全性问题。氢气储存在高压储氢罐中,氢气本身就是易燃易爆气体,在封闭空间中发生泄露极易爆炸。而且,氢气密度小,要想在空间有限的汽车中装载足够多质量的氢气,就必须尽可能提高氢气压力。丰田Mirai的储氢压力达到了70MPa,大气压力为0.1MPa,也就是说储氢罐内的最大压力为700倍得大气压。虽说许多试验验证它是安全的,但在大规模应用前,它的安全性仍要打上问号。

理想斗得过现实吗?

本田Clarity燃料电池车

可以用一句话来形容燃料电池车:理想很丰满,现实很骨感。在节能减排大环境下,燃料电池车是完美的,拥有媲美传统汽油车的便利性,又能够实现零排放,无疑具有致命的吸引力。但是,在实现这个理想的路上还有很多障碍:成本高、寿命短、配套设施不完善……路长且艰啊。

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