在今年的洛杉磯車展上，大眾集團(tuán)首次對外發(fā)布了旗下最新的三款新能源車型，與常見的純電動、混合動力車型不同，它們?nèi)坎捎昧藲淙剂想姵丶夹g(shù)，除了大眾以外，豐田也同時發(fā)布了首款燃料電池車型-Mirai，氫燃料電池技術(shù)的密集發(fā)布是否也意味著這種技術(shù)將會是未來新能源車的發(fā)展方向？今天我們以大眾集團(tuán)的氫燃料電池車型入手，一起來分析以下這種新興的汽車技術(shù)。
●什么是燃料電池（Fuel Cell）？
燃料電池（Fuel Cell），顧名思義，是通過燃料的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的一種發(fā)電裝置，簡單地說就是燃料和空氣分別送進(jìn)被燃料電池，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生電能。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，更像是一個蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它并沒有儲存電能的能力，只能夠產(chǎn)生電能，因此叫燃料電池。
◆燃料電池汽車
燃料電池汽車，給人的第一種感覺很像是使用新型的燃料替代汽油/柴油注入內(nèi)燃機(jī)從而進(jìn)行做功運(yùn)動，其實(shí)則不然，我們所謂的燃料電池汽車其實(shí)本質(zhì)就是一臺電動汽車，不過這種汽車不同于普通的電動汽車需要背負(fù)沉重的電池組來提供電能，而是像普通的汽車一樣加注燃料，通過燃料電池產(chǎn)生電能，然后再來驅(qū)動電動機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動車輛行駛。
燃料電池的類型有很多種，目前燃料電池汽車大部分都采用了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，而采用的燃料就是我們熟知的氫氣，氫氣被充進(jìn)車輛上的高壓氣管，然后再需要的時候與空氣一起送進(jìn)燃料電池內(nèi)部，通過質(zhì)子交換膜，氫氣與空氣中的氧氣在催化劑的作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流的同時只生成水，電流用來給電動機(jī)提供動力，而產(chǎn)生的水就直接排放出來，理論上講，從排氣管拍出來的水為純凈水，甚至可以直接拿來飲用。
在行駛特性上，燃料電池汽車與普通的電動汽車完全一樣，并且缺少了沉重龐大的電池組，底盤設(shè)計(jì)的靈活性也可以得到保障，車內(nèi)的空間也并不會受到太大影響。
● 氫燃料電池汽車與氫動力汽車有什么不同？
◆氫內(nèi)燃機(jī)式汽車
由于氫氣是全世界公認(rèn)的環(huán)保燃料，不含有碳元素使其在燃燒后完全不會有二氧化碳和一氧化碳的排放，因此在許多年以前不少汽車廠商就開始在做關(guān)于氫燃料方面的開發(fā)，并且也取得了一些進(jìn)展，比如寶馬在之前就推出過燃油和液態(tài)氫雙燃料的7系轎車。
氫燃料汽車的原理其實(shí)與我們常見的CNG（天然氣）汽車原理大同小異，其采用了氫內(nèi)燃機(jī)，就是將液態(tài)氫代替燃油噴入汽缸，發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)還是與普通的燃油發(fā)動機(jī)基本一致，因此在行駛特性上也與普通汽車差別不大，但是在排放上可以幾乎實(shí)現(xiàn)無污染物排放。
但是，要想將氫作為汽車的驅(qū)動力來源，那么首先就需要將氫氣液化，然后裝在重達(dá)160公斤的液氫罐中，而現(xiàn)在能做到的也只是一次存儲8公斤的液態(tài)氫，連續(xù)行駛200公里左右。同時由于氫的揮發(fā)性，在補(bǔ)氫后長時間不用還會有泄漏。再加上氫動汽車的生存需要有與之配套的設(shè)施，如加氫站、維修網(wǎng)絡(luò)等等，而這些都需要直接的市場利益驅(qū)動才能建立起來，加之隨著電動汽車技術(shù)的普及和不斷的完善，越來越多的廠商開始意識到電動車才是未來發(fā)展的方向，所以這種氫內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)也逐步淡出人們的視線。
◆大眾集團(tuán)氫燃料電池汽車
雖然給汽車加注的燃料都為氫氣，但是氫燃料電池汽車與前面所說的氫內(nèi)燃機(jī)汽車在原理上截然不同，此次大眾集團(tuán)推出的三款車型采用的就是氫燃料電池技術(shù)。前者雖然采用的是清潔環(huán)保的氫氣作為能源，但是其仍然屬于內(nèi)燃機(jī)車，而氫燃料電池的車型則歸類于電動車，氫氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和水，再將電能傳輸給電動機(jī)驅(qū)動汽車。
●大眾集團(tuán)氫燃料電池技術(shù)解析
在此次的洛杉磯車展上，大眾集團(tuán)一口氣帶來了三款氫燃料電池汽車，他們是奧迪A7 Sportback h-tron quattro以及大眾旗下的高爾夫和帕薩特Hy-motion，這三款車都是基于大眾集團(tuán)現(xiàn)有的車型平臺打造而來，并且采用的燃料電池技術(shù)也完全相同，都采用了大眾集團(tuán)自主研發(fā)的第四代的100千瓦低溫質(zhì)子交換薄膜技術(shù)（PEM）的燃料電池堆棧，接下來我們就對這套系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的解析。
◆氫燃料電池技術(shù)研發(fā)早在2002年就已經(jīng)開始
2002年，通過對一輛使用燃料電池的borahy .power和一輛使用太陽能為燃料的boratdi，在瑞士和意大利交界處海撥2005多米的辛普朗(simplon)隘口的測試，大眾汽車公司的一種新型氫燃料電池動力傳動系統(tǒng)測試成功。這種燃料電池可以將化學(xué)能量在氧化過程中直接轉(zhuǎn)化為電能且成本較低，該項(xiàng)目是由大眾汽車公司與在瑞士蘇黎士的paulscherrer研究所一起開發(fā)的。
其實(shí)，氫燃料電池汽車離中國的消費(fèi)者也并不遙遠(yuǎn)，在2008年奧運(yùn)會期間，由上海大眾汽車提供的20輛PASSAT領(lǐng)馭氫燃料電池轎車早在7月份就開始了“綠色車隊(duì)”的奧運(yùn)之行。它們除了參與奧運(yùn)期間的馬拉松比賽，還作為運(yùn)輸局的出租保點(diǎn)監(jiān)察用車，每天在8個主要奧運(yùn)比賽場館附近運(yùn)行，為貴賓、媒體記者和奧組委官員等提供用車服務(wù)。
事實(shí)上，大眾在美國投入氫燃料汽車實(shí)測已經(jīng)有一段時間了，此間搬上洛杉磯車展，足見其測試順利。由此可見，氫燃料電池技術(shù)車型的集體亮相并不是大眾集團(tuán)的空穴來風(fēng)，而是在經(jīng)過了多年技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累之后，完全能夠達(dá)到量產(chǎn)條件之后的一次匯報(bào)演出。
◆大眾集團(tuán)氫燃料電池汽車構(gòu)造
大眾一直致力于節(jié)省成本的平臺化開發(fā)策略，此次的燃料電池車型也是同樣基于大眾現(xiàn)有的技術(shù)平臺，比如大眾用了MQB平臺和奧迪用了MLB平臺只是對動力系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)進(jìn)行了重新改造，因此在設(shè)計(jì)方面的成本和今后普及的難度方面都比較低。并且這種思路可以為大眾集團(tuán)在今后實(shí)現(xiàn)同一輛車在同一個生產(chǎn)線上能夠生產(chǎn)處汽油型、柴油型、天然氣型、插電式混合動力型、純電動型以及最新的燃料電池型號。
在原理上，這三款車除了驅(qū)動方式以外采用的動力單元結(jié)構(gòu)都是基本一致的，所以我們選取其中一款車作為主要解析對象。
◆ 關(guān)于燃料電池
實(shí)際上大眾的燃料電池并不只是一整塊電池，而是由300片相互獨(dú)立的“電池”一個挨著一個組成的堆棧，其與特斯拉的那塊由眾多電池組成的整套供電系統(tǒng)類似，每一片電池都 能產(chǎn)生0.6~0.8V的電壓，整個電池堆棧就能一共輸出約230~360V的電壓。除了基本的結(jié)構(gòu)之外，燃料電池堆棧還需要一個渦輪增壓器來強(qiáng)制輸送空氣進(jìn)入電池中、一個用來循環(huán)多余氫氣以提高利用效率的風(fēng)扇和一個冷卻用的泵。這些組建都由電力驅(qū)動并且直接從燃料電池堆棧中取電。
◆ 底盤結(jié)構(gòu)與普通汽車有很大不同
大眾（奧迪）氫燃料電池車的底盤與普通版本的車型有很大的不同，由于需要?dú)錃鈦頌槿剂想姵靥峁┤剂希虼似胀ㄜ囆捅獗獾挠拖浔桓邏簹涔匏?，為了保證續(xù)航里程，氫罐的數(shù)量為四個，可以儲存接近5kg的氫氣。而普通車輛發(fā)動機(jī)艙的位置則被燃料電池堆棧和電動機(jī)所代替，根據(jù)車型的不同，帕薩特和高爾夫旅行版在前軸上布置有電動機(jī)，而奧迪A7為四輪驅(qū)動，前后軸均有電動機(jī)分布。
燃料電池組外部還有一個額外的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，用來冷卻燃料電池。一個熱交換器和一個自動調(diào)節(jié)的電加熱器用來充當(dāng)暖風(fēng)系統(tǒng)。燃料電池工作溫度在80攝氏度，對冷卻系統(tǒng) 要求比內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)格一些，但是能量利用效率卻高達(dá)60%，是內(nèi)燃機(jī)的兩倍！冷啟動性能也不錯，可以保證在零下28攝氏度正常工作。
值得一提的是，由于燃料電池并不具備電能儲存的能力，因此大眾燃料電池汽在車輛的后部還加入了動力電池（8.8千瓦時的鋰電池組），這塊電池可以儲存一部分電能，并且這部分電能足以讓車輛持續(xù)形式五十公里左右，此時燃料電池并不需要介入，而在車輛急加速的時候，燃料電池提供的電能和這塊動力電池提供的電能可以同時作用在電動機(jī)上，為車輛提供充足的扭矩。另外，這塊電池還可以通過動能回收和外部充電補(bǔ)充電能，進(jìn)一步提升了續(xù)航里程。
◆ 關(guān)于續(xù)航里程
續(xù)航里程是新能源車面臨的最具挑戰(zhàn)性的一個問題，特斯拉能取得如此大的成功，很大的一個原因要?dú)w功于其超過300km的超長續(xù)航里程。在這個方面，燃料電池汽車相比傳統(tǒng)的電動汽車還是擁有不小的優(yōu)勢。大眾集團(tuán)此次發(fā)布的三款車型全部都配備了四個儲氫罐，這四個罐內(nèi)壓力超過700個大氣壓的儲氫罐一共可以儲存大約5kg的氫氣，在全燃料電池模式下，車輛行駛100公里大約需要1公斤的氫氣，因此理論上講，大眾集團(tuán)的這三款氫燃料電池汽車的續(xù)航里程都可以達(dá)到500公里左右。
◆ 性能水平并不差
奧迪A7 Sportback h-tron quattro的前后軸各布置了一個電動機(jī)，形成了前后雙電機(jī)的類似特斯拉P85D的“四驅(qū)”結(jié)構(gòu)。每個電機(jī)都有85千瓦的功率和270牛米的峰值扭矩，這樣的組合搭配一共可提供170千瓦的功率輸出，并且由于雙電機(jī)無需機(jī)械傳動的結(jié)構(gòu)優(yōu) 勢，quattro成了e-quattro，扭矩輸出控制電子無極調(diào)節(jié)，是傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)的。這臺A7 Sportback h-tron quattro只需7.9秒就能夠完成靜止到100公里/小時的加速，最高車速180公里/小時。
高爾夫和大眾帕薩特HyMotion只是在在驅(qū)動形式上與A7有些不太相同，但是驅(qū)動原理與前者完全一致。高爾夫SportWagen HyMotion采用了一臺最大輸出功率100kw，峰值扭矩達(dá)到270N·m的一臺電動機(jī)驅(qū)動，其0-100km/h的加速時間僅為10秒，最高時速達(dá)到了160km/h，這樣的數(shù)據(jù)基本上與普通的汽油版本沒有太大差別。
◆ 輕量化設(shè)計(jì)有優(yōu)勢
燃料電池工 作的唯一“廢氣”是純凈水蒸氣，因此底盤的排氣管也不用考慮耐高溫或者耐腐蝕，直接用輕量化塑料管路就可以實(shí)現(xiàn)，減重不少。另外，由于沒有像普通電動汽車沉重的電池組，燃料電池汽車的整備質(zhì)量相比前者也有不少的優(yōu)勢。同時，為了讓重量分布更為均勻，大眾和奧迪在底盤的儲氫罐的分布上也做了文章，其采用了四個儲氫罐，兩兩分布在后軸的前后部分。
◆ 加注氫氣方便快捷，但基礎(chǔ)設(shè)施并不完善
大眾推出的這三款氫燃料電池車型在加注氫氣的時候非常方便，在專業(yè)的加氫站只需要3分鐘便可將四個儲氣罐加滿，相比于那些動輒三四個小時，七八個小時才可以充滿電的電動汽車來說，氫燃料電池在能源補(bǔ)充方面無疑非常高效。
但是氫燃料電池車型在使用時存在的問題也非常突出，目前專業(yè)加氫站數(shù)量非常稀少，即便在新能源車型普及率非常高的洛杉磯這種加氫站也僅有幾個試點(diǎn)，因此想要順利的加到“燃油”并不容易，這也是制約氫能源汽車發(fā)展的最大瓶頸。
◆ 安全性無須擔(dān)心
氫氣是一種易燃易爆的氣體，因此以氫氣為動力的車型其安全性是一個不可回避的問題。由于氫氣的密度非常小，因此在儲藏的時候需要使用高壓氣罐，為了保證超過700個大氣壓的壓力罐的安全，儲氫罐采用鋁合金外殼，并在外圍包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)殼，以保證罐體的剛性和防碰撞能力。據(jù)悉，這中材料與跟寶馬i3/i8的復(fù)合碳纖維車身為同一種。
◆ 真正實(shí)現(xiàn)零排放
氫燃料汽車的排放物質(zhì)只有水和電能，理論上講這是一種完全清潔的交通工具，并且所用的氫氣也是可再生能源，為了讓燃料獲得也實(shí)現(xiàn)零排放，從2013年開始奧迪就啟用了一個氫氣工廠，通過風(fēng)能發(fā)電來電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，如此舉措也讓大眾集團(tuán)旗下的氫燃料電池汽車可以從源頭和使用過程中實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放。
總結(jié)：
如今，插電式純電動汽車仍然占據(jù)著新能源車市場的半壁江山，但是有限的續(xù)航里程和較為耗時的充電過程無疑也是電動車現(xiàn)今難以突破的兩大關(guān)鍵性問題。隨著大眾和豐田紛紛在氫燃料電池方面發(fā)力，這種全新的驅(qū)動形式和燃料類型都給汽車領(lǐng)域帶來了新的希望，并且可以達(dá)到真正意義上的零排放也讓這種車型在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天看起來意義重大。
不過，目前氫燃料電池汽車技術(shù)的最大瓶頸在于后期的配套設(shè)施建設(shè)，雖然，大眾集團(tuán)在車輛的技術(shù)方面已經(jīng)可以達(dá)到量產(chǎn)的水平的，但是稀少的加氫站無疑是這種車型普及最大的障礙。豐田今年年底將在日本市場正式推出Mirai氫燃料電池車型，雖然不知道在后期配套方面豐田是如何解決的，但無疑它的上市會為燃料電池汽車行業(yè)帶來巨大的推動作用。
相比豐田Mirai，大眾集團(tuán)的氫燃料電池車型最大的優(yōu)勢在于平臺化打造，可以在現(xiàn)有的汽車平臺基礎(chǔ)上打造不同類型的新能源車，進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)制造成本，而豐田的Mirai則是孤零零地單獨(dú)作戰(zhàn)，若在不久的將來加氫站的問題可以得到解決，那么大眾在這方面將會有迅速的反應(yīng)。
