一篇文章告诉你为什么丰田非推氢燃料电池车不可

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【第一电动网】(特约作者 罗新雨)2014年末,丰田发布了量产版丰田的氢燃料电池车Mirai(意为“未来”),并宣布将在率先在日本本土上市。这显然不是氢能或燃料电池车(下文称FCV)第一次走入我们的视线。21世纪初美国总统布什和欧盟委员会主席普罗迪曾联合开展对氢能的研究,但在10年后也无功而返,美国投入的7.2亿美元的研究基金很大一部分后来被美国能源部部长朱棣文改用于对车用动力电池的研究,不得不说是一种向理性的回归。如今,以日本丰田、本田、韩国现代、德国奔驰等公司为代表的一干车企再次将燃料电池车拉上车展的展台甚至经销商的展厅,是更高的技术让FCV重获希望还是另一个政治陷阱?值得我们深入剖析。

Mirai为何物?FCV为何物?

丰田Mirai来得突然么?其实并不突然。丰田对于FCV的研究从1992年就开始了,比汽油-电力混动车(下文称HEV)还要早一些。但由于相关技术比如燃料电池反应堆(特别是质子交换膜)、储氢罐的发展相对滞后,其脚步一直不如HEV快,而成本一直非常高。在Mirai发布之前,丰田也曾在2002年制造过6台基于FCHV-4试验车的FCHV展示车,4台供给日本政府使用,2台供给美国加州的加州大学Irvine分校和Davis分校使用。此后2008年,丰田又推出过后继车型FCHV-adv,里程更长、冷天环境的启动能力也有了提高,不过其过高的月租金(上万美元)显然和此次上市的Mirai不可同日而语,相较之下,同时期的普锐斯已经进入了收回初期开发成本、大面积攻占美国节能车领地的黄金时代。

我想更大部分的读者和我此前一样,对FCV并没有十足的了解。那我们先来从最浅层的工程技术看一看它到底是个什么构造。FCV是Fuel Cell Vehicle的简称。所谓Fuel Cell燃料电池是个高中化学有所涉及的概念,其实就是以原电池的形式,让原本需要点燃反应的两种物质(燃料和助燃剂)进行反应并放电的一种特殊的电池。从汽车的角度讲,FCV实际上可以被看作一种电动车,电池从一个储能部件变成了一个中间蓄能部件,而储能的功能由燃料蓄罐代替。广义上讲,FCV并不一定是烧氢气的车,但就目前而言,没有主流公司在研发诸如甲醇FCV或乙醇FCV的车型,因此,后文中提及的FCV仅指氢燃料FCV。

FCV和HEV的关系

事实上,FCV和HEV从构造上是十分接近的。

“冷聚变”技术的实现是氢能时代来临的关键

Figure 1 四代Prius和Mirai (图片来自evbud.com)

“冷聚变”技术的实现是氢能时代来临的关键

Figure 2 Mirai的动力系统

“冷聚变”技术的实现是氢能时代来临的关键

Figure 3 Prius的动力系统(图片来自themotorreport.com.au )

第一眼看到这两张图片肯定感觉是Mirai好复杂、Prius好简单。事实上也确实如此,甚至由于Prius的混动系统如此优雅而简洁,笔者花了好久才找到了这个相对比较直接的透视图片。说回到二者的近似点——我们知道Prius采用的power-split式混动系统通过一个行星齿轮系让内燃机的动力输入和电机的动力输入以及车轮的动力输出三者耦合在了一起,因此会在不同的工作状态下以不同的形式工作。然而在FCV上,虽然有镍氢动力电池(下文简称镍氢电池)和氢燃料电池反应堆(下文简称反应堆),但后者并不可直接提供扭矩输入。也就是说,车的驱动力唯一来自于电机。所以从这个角度讲,FCV可以被称为“纯电动车”(Pure EV)。但由于车辆的工作状态会有加速、减速、巡航多种,当动力需求大时电力可以来自于反应堆和镍氢电池,而动力需求小时可以仅来自于镍氢电池。从这个角度讲,FCV又可以被称为“混动车”(HEV)。不管怎么界定,FCV和HEV在诸如电机、制动能量回收、电力电子(主要是boost converter)、镍氢电池等环节具有很强的互换性。因此,能在2014年这个时间点推出首款面向市场的FCV,丰田显然已经做足了功课。从这个角度讲,没有过硬的混动车技术积累车企想在FCV的道路上追赶,将会比EV难得多。想一想,你是否在近年来我国的新能源车发展规划中读到“鼓励从FCV上长足发展”之类的字句呢?请读者自己体会一下。

FCV vs EV

了解了他的技术特点,作为消费者,我们更关注的话题当然是FCV的性能。以这款最新发表的Mirai为例:最大功率152马力、最大扭矩335牛米的数据在其所在的中型车级别中最大功率不算大,不过考虑到低转速高扭矩的电机特性,日常驾驶也足以应付,只不过考虑到其1.85吨的整备质量,想要获得驾驶乐趣估计很困难。美国EPA官方公布的续航里程达到了502公里,十分优秀。另一个它来自FCV本身的优势是充电速度,或者说是加氢速度。官方数据是加满仅需3~5分钟 [1]。这实在是完胜一切电动车。当然肯定会有很多人说到目前的基础设施建设相当不完善,哪怕和少的可怜的充电桩数量相比。不过目前Mirai选择上市的地区还都是有一定加氢站建设的,特别是日本的都市圈,已经有了较完善的加氢站建设。至今年年底,东京、大阪、名古屋和福冈四大都市圈的市区和高速公路上建立100座加氢站 [2]。 不过即使如此大力投入,丰田自动车、 HySUT(氢供给·利用技术研究组合)、日本经济产业省将燃料电池车在市场上的全面铺开的时间点设定在了2030年 [3]。

车型

丰田Mirai

2014 丰田Prius

2014 Tesla Model S P85

最大功率(马力)

152

134

382

最大扭矩(牛米)

335

105

441

EPA续航里程(公里)

502

958

426

0-96公里/小时加速(秒)

9(官方)

10.1Motor Trend

5.4(官方)

整备质量(千克)

1850

1380

2108

美国售价(美元)

57,500

24,200~30,005

91070

燃效(英里/基于WTW排放CO2的等效汽油加仑)(cleantechnica.com)

48.51

50

48.02(美国电网)

123.09(加州电网)

等效油耗(升/100公里)

4.85

4.70

4.90(美国电网)

1.91(加州电网)


[4]上表中列出了FCV的代表丰田Mirai、HEV的代表丰田Prius和EV的代表Tesla Model S P85这三款车的基本性能数据。首先,三车市场区间定位的差异决定了动力性并不能说明太多问题。但让我们先来看看燃效/等效油耗。这里所谓WTW排放CO2指的是从“Well”(油井)到(“To”)“Wheel”(车轮)总共排放的二氧化碳。根据此项数据的来源——cleantechnica.com的作者Julian Cox估算,制氢的最低成本路线绝对不是用电解(下文称“电解氢”),而是用天然气(下文称“气制氢”)。而且就目前的天然气储量和价格分析,如果FCV真的得到了推广,那气制氢的价格优势将一直持续下去,直到很久很久以后,那时全部采用可再生能源发电的EV才勉强和气制氢的成本打个平手。这也就是为什么目前以丰田、戴姆勒为代表的几家车企在努力吹捧FCV的真正原因。

氢能,一个更大的话题

“氢能”显然指的是一种能源,而不仅仅是采用氢气的FCV。那么氢能又是怎样的概念呢?

其实文章一开始提到的布什政府支持的氢能研究并不是最早该领域的开始。早在1970年代,冷聚变领域(后文会有再次涉及)的先驱,南非人John O’M. Bockris教授,率先提出“氢能经济”(hydrogen economy)这一概念。他说:“说穿了,‘氢能经济’的本质就是氢气被用于从可再生能源(如太阳能、核能)长距离传递能量,并大量贮存(供给城市)。” [5]。也就是说,氢气本身并不会毫无缘由地存在在某个地方供人开采,像目前我们开采化石燃料一样。它更像一种电的替代品,从始至终都只在扮演着能量的传递者的角色。

这意味着什么呢?这意味着我们仍就需要找到一个能源来制造氢,然后把氢运送到一个需要能量的地方储存,然后再用燃料电池把这些氢的能量释放出来,从而完成了一个能量传递的过程。

于是,想把氢能和环保结合起来,我们的目光则需要转向制氢的源头。只有当人类能探明制氢的最廉价方式后,这个所谓的氢能时代才能真正到来。那这理想的“免费能源”会是谁呢?冷聚变。

冷聚变这个技术对于大多数车迷朋友们都很陌生,我也是个彻头彻尾的外行。我们在此不做过多深入的探究,只来浅层地了解一下它的由来和现今的发展。

如果你还能记得起你初高中时的一点点化学课知识,你肯定记得有这样一个概念你的化学老师重复过很多遍:“化学反应”指的是分子破裂成原子,原子重组的过程,而诸如核裂变、核聚变等破坏原子的反应都不是“化学反应”,而是“物理反应”。好了,你记起来什么是核聚变了吧?原子(多指氘、氚)结合在一起形成新的元素的反应就是核聚变。

那什么又是冷聚变呢?顾名思义,就是在“冷”的环境下完成的核聚变。而我们知道,普通的核聚变,即热核聚变,是需要高温高压才能反应的。但如果能把聚变的反应条件降为常温常压,那对于整个人类的能源结构都将带来巨大的变革,而这就是研究冷聚变的意义。

1989年3月23日,弗莱希曼(Martin Fleishmann)和庞斯(Stanley Pons)(下文合称二人为弗/庞)在美国犹他州盐湖城的犹他大学召开新闻发布会,宣布发现了室温核聚变(通称为冷聚变)。实验中,弗/庞用钯(Pd)作阴极、铂(Pt)作阳极电解含0.1MLiOD的重水溶液,氘进入钯阴极中产生核聚变反应。在实验过程中测到过热(输出能与输入能之差)和核产物。但这个惊天动地的发现不但没给他们带来荣誉与掌声,反而带来了批驳和封杀。因为全球多个顶尖科研机构都无法重复弗/庞的实验,弗/庞的发现因此完全没有可信性。当年11月,美国能源部组织成立的一个由22人组成的专家小组,在经过6个月的调查后,对冷核聚变给出了否定性的结论。美国的高级科普杂志《科学美国人》(Scientific American)甚至提出要给弗/庞颁发可耻诺贝尔奖。 [6]

不过弗/庞虽然在此事件后名誉扫地,无法继续留在犹他大学进行科研工作,日本丰田汽车公司的前社长丰田英二却立即资助他们在法国建立实验室继续研究。此后日本通产省也一同参与了该科研项目,但项目最终由于弗/庞二人的先后撤离而被迫停止。直到2013年,美国专利局授予美国海军秘书长一项名为“生成粒子的系统和方法”的专利,这是时隔24年后美国官方首次承认冷聚变技术。

关于冷聚变就简单介绍到这里。我们这里思考一个问题:如果冷聚变能够实现,它极高的能量密度和极低的成本可以让每一个家庭、每一辆汽车都拥有自己的“小电站”,这时,让FCV烧“电解氢”而不是“气制氢”变得可行,但我们为何还要费事去电解水制氢气然后让燃料电池去烧来发电呢?直接用冷聚变反应堆发的电驱动汽车不就行了么?

因此,经过这番分析,我们发现:

1. 在没有冷聚变技术的情况下,氢气的环保性远低于其他能源;

2. 在有冷聚变技术的情况下,没有任何必要使用氢气作为过渡燃料驱动汽车或其他能量消费者。

也就是说,对于人类来讲,“氢能经济”根本就是个死胡同。

日本又回来了

那为什么还会有公司主张FCV呢?特别是丰田?

2013年6月13日,日本政府提出《日本再兴战略——JAPAN is BACK》的国家战略,其中涉及到了推广诸如家用氢气燃料电池、氢燃料电池车等技术。国家为家用氢燃料电池热水器提供补贴,多所大学在储氢罐、氢燃料电池催化剂等方面也都有多项科研成果完成。 [7]在汽车界,加氢站的建设在日本已经如火如荼开展多年,其密度已经成为世界第一。

其实氢气本身其实是可以由各种化石燃料、可再生能源制得的。除了前文我们提到的最高效的天然气以外,利用煤特别是品位低、发热量低的褐煤制氢是日本目前很关注的一个方向。川崎重工的氢气项目发展中心正在研究该技术,并预计在2017年时,其设于西南澳大利亚Latrobe Valley煤矿的试点工厂将可以日产20吨的速度制氢。当然,正如前文所说的,用化石燃料制氢依旧会有二氧化碳排放,但在澳大利亚联邦政府和维多利亚州政府决定在一处深海气田中将制氢产生的二氧化碳深埋。[8]

回到本节开始提出的问题:为什么丰田如此积极推FCV?

与其说是丰田自己的一次豪赌未来,不如说是丰田参与了举国共谋能源出路的一场合攻。所以,这蔚蓝的氢能时代虽说不一定给人类带来更洁净的空气,但对于以日本为代表的能源紧缺国家来说,它的出现可以有效缓解对单一能源的依赖。从这个角度讲,FCV只不过是一个大棋局中的小小一枚兵卒而已。

引用文献

[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) 汽车点评. [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]网友博客. (2014, Feb.) 冷聚变世界. [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

作者:volkswind

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