有人说，聚变能“是一种未来的能源来源，并且取之不尽、用之不竭”，很多人对此加以抨击。似乎燃料电池车也受到了类似质疑，因为这种车似乎非常神奇，能将储存的氢气和大气中的氧气转化为动能，用于个人交通，且排出的副产品仅为水。但在过去的几十年中，这种车都是可望而不可即的。

 

一些环保主义者就曾指责小布什政府，称其支持汽车燃料电池是在偷梁换柱，真正的目的是继续使用化石燃料，因为他们认为，用燃料电池为汽车提供能源并不现实。

 

但事实上，汽车制造商为了满足加州的零排放要求，已开始逐渐推出燃料电池汽车。所有车都是手工制造的，只能租赁使用，并且限量上市。燃料电池的技术障碍已得到攻克，但下一步的实施工作却极具挑战性，因为燃料电池汽车的成本高昂，而且在极低温度方面的难题仍未解决。

 

“到2020年，我们预计燃料电池汽车的产量可以破万，”燃料电池和氢能源协会（Fuel Cell and Hydrogen Energy Association）主席Morry Markowitz表示。“很多主流汽车制造商已斥资数十亿美元发展这项技术，现在汽车展厅里也展示了一些燃料电池汽车，”他说。“这充分说明这些公司的决心和燃料电池技术的未来。”

 

“我们面临的主要挑战是如何扩大规模，包括基础设施建设和汽车量产，” 美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab）燃料电池小组主管Bryan Pivovar表示。过去，基础科学的突破性进展较少，阻碍了燃料电池汽车的实际应用，但如今这些障碍已得到攻克，他说。“现在，我们已经取得了长足进步，实现量产不再遥远。”

 

现在，量产化道路越来越明确，这是前所未有的。在2015年东京车展上，本田发布了下一代Clarity燃料电池汽车，这款车将于2016年3月开始面向日本客户租售。在开场致辞中，本田总裁兼CEO Takahiro Hachigo表示，量产化征程艰难而漫长。

 

“约13年前，也就是2002年12月，秉持面向未来的理念，本田成为全球首个实现终极清洁汽车——燃料电池汽车实际应用的汽车制造商，”Hachigo表示。“自那时起，本田一直致力于提升旗下燃料电池汽车的性能，包括车辆在寒冷区域的行驶性能，这是非常有挑战性的。”

 

丰田展示了新款FCV Plus概念车和雷克萨斯LF-FC。FCV Plus是一款别具一格、吸引眼球的概念车，搭载了轮毂电机；LF-FC则展示了下一代雷克萨斯LS旗舰轿车的设计风格，该车型很可能会配置燃料电池动力总成。

 

现代推出了一款燃料电池动力版途胜跨界SUV，公司官网上的里程计数器显示，旗下燃料电池汽车的累积行驶里程已超过75万英里。

 

宝马在东京车展上表示，宝马首辆燃料电池汽车很可能是一款大尺寸轿车，将于2020年以后上市。届时，宝马与丰田的氢气研发合作伙伴关系（始于2013年）也将结束。宝马正在研发一种工艺，在极端低温下压缩氢气，从而提高存储量。为此，宝马采用了丰田研发的燃料电池堆。宝马表示，其燃料电池汽车的续航里程将高于丰田的Mirai。丰田称，Mirai的续航里程可达435英里（700 km）。

 

目前，丰田Mirai已经与少数加州顾客见面，这是一款专门的FCV车型，外形独特，彰显了车内的可替代燃料动力总成系统。燃料电池汽车市场方兴未艾，市场也必须明确客户更倾向于专门的燃料电池车型，还是现行热门车型的燃料电池改装版。NREL的Pivovar认为，丰田选择推出专门的FCV是正确的做法。

 

“我认为这是正确的做法，之前这种策略就非常成功，”他说。他也提到，作为首批投入混动车市场的车型，普锐斯获得了巨大成功。

 

日本正在斥巨资发展燃料电池技术和氢基础设施，并将其纳入国家政策，目的是打造一个 “氢能社会”，使用零排放燃料为家庭和车辆供能。

 

合作走向成功

 

本田与通用建立了研发合作关系，打造了一个燃料电池产品系列，从2008年的雪佛兰Equinox FCV到2011年的第一代本田FCX Clarity，再到2016年的新款第二代Clarity FCV，最后是2020年之前将推出的采用了合作研发的燃料电池系统的车型。两家公司将其称为“第三代”燃料电池。

 

与FCX Clarity相比，新款Clarity FCV使用的燃料电池体积减小了33%，功率供应却提高了60%。此外，一个里程碑式的进步是，与常规发动机类似，新Clarity的整个电池系统置于车辆发动机罩下方，大小合适。后座也因此更为宽敞，可以乘坐三人。所以新车型可乘坐五人，而非老车型的四人。

 

Pivovar表示，虽然本田已率先将燃料电池汽车交付给客户，但在燃料电池专业知识方面，以年专利申请量和掌握的关键技术衡量，通用仍旧是行业领先者。早在20世纪60年代，通用就成功生产了首辆FCV。

 

但丰田在奋起直追。因此，这两家公司的合作相当合适。通用汽车燃料电池业务执行总监Charlie Freese表示，一款燃料电池汽车的量产定型意味着资源将不再用于提升、改良产品，或削减燃料电池系统成本，而是用于解决汽车生产的实际问题。

 

通过合作，本田可以审慎打造Clarity FCV，并学习生产经验；而通用的工程师则可以专注于研发第三代燃料电池，公司2020年即将推出的新车型将搭载这款电池。

 

 “我们与本田有合作，现在本田已经锁定了一个已经推出的量产项目，”Freese表示。“他们可以继续重点发展这个项目，而我们则可以重点研发新技术。”

 

通用自2011年开始与美国海军研究人员合作，为一款无人潜水装置（UUV）——机器人迷你潜水艇，设计燃料电池电源。自此，公司的质子交换膜（PEM）燃料电池有了新的发展模式。与通用118 Equinox FCV测试车辆相似，这款UUV由一个自动燃料电池堆提供动力。潜水时，UUV的燃料电池可以通过一个复杂的闭环氧气存储系统“呼吸”（具体可见http://articles.sae.org/13909/）。

 

目前，燃料电池技术已经攻克最大难题。Clarity的燃料电池可以完整契合到发动机盖下的位置，因此，继续花费资源缩小电池尺寸并不会带来任何明显受益。

 

同样地，铂的使用量也已成功削减，降至与内燃机的催化转换器相当的基准水平。通用的Equinox燃料电池使用了80 gm（2.8 oz）铂，2011 款Clarity FCV用了30 gm（1.05 oz）。Pivovar表示，催化转换器一般会用10 gm（.35 oz）铂。

 

他说，催化剂其实无需这么多铂，但是，为了保证使用寿命和安全性，汽车制造商往往会谨慎地额外多加几克放进催化剂。

 

通用表示，新款Clarity FCV使用的铂不到12 gm（.42 oz），有利于节约稀有金属。

 

下一步：量产

 

这意味着Freese的通用团队将继续致力于通过设计降低量产成本。可行措施之一是简化汽车系统。Clarity的燃料电池系统搭载了两个圆柱形的氢气罐，因为理想的球形设计会占用乘坐空间，必须修改。

 

两个圆柱形的氢气罐替代了单个球形设计，因此可以将其置于汽车底板下，但这需要更精密、更昂贵的组装，并且需要更多的气门和生产线，这也额外增加了成本。

 

更好的解决方案是，使用新的氢气罐，而无需做成圆柱形或球形，单罐装载足量氢气，以便满足300到400英里（482-643 km）的行驶里程。汽车行业的工程师们正在竭力攻克这个技术难题。

 

“常规的汽车塑料油罐可以塑造成任何形状。”Freese告诉《汽车工程杂志》，“我们希望燃料电池汽车的储氢罐也能实现这一点。”

 

一位参与项目的知情人士表示，丰田过去一直与压力油罐专业公司——量子技术（Quantum Technologies）合作研发一种新型高压储氢方案，但后来丰田叫停了合作项目，开始进行内部研发。

 

成本削减面临一大问题，即以产业标准衡量，FCV的量产数量较小。虽然本田和通用均已开始销售燃料电池汽车，但该车型市场在2020年前不会走向成熟。但是，即便在整车相对小规模量产的情况下，一些部件可以大规模量产，实现规模经济效益，因为所有车型都会使用这些部件。

 

Freese指出，每个电池的气体扩散需要330层碳纸。因此，如果汽车年产量可达1万，就能创造330万层的碳纸需求。

 

此外，部件生产也可以受益于大规模量产。尽管一些部件只适用于燃料电池汽车，但它们与高产量内燃机汽车中使用的部件十分类似。例如，燃料电池中使用的压缩机与涡轮增压机类似，可以受益于涡轮的大规模量产。

 

“可以借用的知识有很多，”他说。“这和喷油器的情况一样。喷油器的要求各有不同，但FCV需要的喷射设备和压缩天然气汽车的喷油器不会有很大区别。因此，传统汽车行业对FCV的喷射设备并非完全陌生。”

 

Freese指出，通用与本田合作还有另一个好处，就是可以向获得这些部件的供应。

 

“有时候，能提供我们需要的部件的供应商屈指可数，”他表示。“我们有一些共同的供应商，也有一些各自分别合作的供应商。因此，通过合作，我们不仅能收获不同的观点，还能接触到其他的供应商。”

 

目前，燃料电池车仍处于低产量和手工生产阶段。汽车制造商们致力于实现FCV的大规模量产，并降低价格，目的是吸引更多消费者，并帮助汽车制造商扭亏为盈。

 

 “为了发展FCV，汽车制造商们都承受了一定亏损，”Pivovar表示。“但从技术层面来看，毋庸置疑，燃料电池汽车已经成为现实。”

 

也许，聚变能就是未来的希望。

作者：Dan Carney
来源：SAE《汽车工程杂志》
翻译：SAE上海办公室