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之前小编发现了半个世纪多前的宝藏，世界上第一辆燃料电池车——GM（通用汽车）的ElectroVan。54年前，1966年的时候GM的工程师为了0碳排放的目标，造出了这辆原型车，真的是非常厉害。小编之前写了一篇文章介绍了一下它： 里面Floyd Wyczalek老爷子的采访让小编看的非常感动，这一期，就让我们一起来看看这个半个多世纪前的燃料电池车和现在有多大区别吧，来一场跨越半个多世纪的对标！
整车动力系统设计 下图展示了ElectroVAN的结构和奔驰GLC-FCELL的结构，可以看到50多年间，燃料电池车的结构已经发生了较大的变化，随着电池技术和燃料电池技术的进步，燃料电池车的动力系统变得更加简洁。 对比起现在的燃料电池汽车，在ElectroVAN上，燃料电池系统毫无集成可言。32个燃料电池模组几乎塞满了整个地板，以至于储氢系统只能放在乘员舱内。为了续航过得去，其储氢系统甚至曾尝试使用了液氢和液氧，占用的空间也是十分的多，对比现在的储氢瓶，挤压了非常多的车辆可用空间。这辆车基本上只能谈的上是一辆纯粹的试验车，量产几乎毫无可能性。
ElectroVAN的动力系统在当时也是十分超前的，如下图所示，ElectroVAN几乎所有的动力都来源于他的燃料电池模组（里面还包含了一些铅酸电池）。这一点与现在的“大电池-小电堆”、“小电池-大电堆”方案区别很大。而值得一提的是，1966年那会电动车技术也还处于非常非常不成熟的状态。
燃料电池系统 从上面示车辆结构示意图可以发现，ElectroVAN车内还包括了一个冷凝器和一个电解质储存槽，这两个部分在现在的燃料电池车里已经见不到了，他们是干什么的呢？我们先来看看ElecroVAN的系统和现在的燃料电池系统有啥区别。下图展示了ElectroVAN的燃料电池系统原理图和如今常见的燃料电池系统（Mirai）原理图：
对比起来，两个系统结构区别还是很大的，区别主要在于几个部分： 1.电堆；2.氢气路和空气路；3.冷却路 1.电堆
首先可以看到，ElectroVAN所使用的燃料电池电堆并不是我们现在经常听到的PEMFC（质子交换膜燃料电池），而是AFC（碱性燃料电池）。AFC和PEMFC一样，都有氢气路，但是PEMFC电堆中原本供给冷却水和空气的路径在AFC电堆中变成了供给纯氧和氢氧化钾。下面让我们来简单看看这两种燃料电池技术的区别来帮助我们更好理解为何如此。
如上图所示，AFC与现在常见的PEMFC一样，本质上是通过氢和氧之间的氧化还原反应来生产电力。AFC有两个燃料入口，氢及氧各由一个入口进入电池，中间则有一组多孔性石墨电极，电解质则位于碳阴极及碳阳极中央。氢气经由多孔性碳阳极进入电极中央的氢氧化钾电解质，在接触后进行氧化，产生水及电子。
电子经流经外电路来提供电力并流回阴极，在阴极与氧及水接触后反应形成氢氧根离子。
最后产生的水蒸汽及热能由出口离开，氢氧根离子经由氢氧化钾电解质带回阳极，完成整个电路。 由于碱性燃料电池是以氢氧化钾作为电解质，因此若由进气口中进入电池的气体中含有二氧化碳，氢氧化钾会与二氧化碳反应形成碳酸钾，碳酸钾则会堵住碳电极上的孔，氢气或氧气无法与电解质接触，会严重影响发电效率。这也是ElectroVAN需要使用纯氧的原因。 而PEMFC的的原理相信大家都比较清楚了，我这里就不再赘述了。两者一对比，可以看到燃料电池技术的进步，让我们用上了更方便的PEMFC技术，而不需要像AFC这样，需要设计一个电解质回路和为阴极单独供给纯氧。这个进步为燃料电池真正能应用到车上提供了巨大的而帮助。想想在一个车上塞单独的氧气罐和再多设计一个回路就感觉很可怕。。。 2.氢气回路&.空气回路
氢气回路的主要设计与现在的燃料电池车系统相似，压力由氢罐提供，但是在进入供氢的回路前，会先经过一个氢气过滤器。这个过滤的目的是什么小编没有查到资料，不知道有没有了解的朋友告知一下。 由于采用的是液氢，供气时有个问题，即当液氢转化为氢气时，带走的热量会使空气变为液态。因此可以看到在前面给出的系统原理图中，液氢罐到供氢回路间有一条真空管路。另外当液氢遇到较热的管路时，会导致不稳定的气体压力波动。GM的工程师通过优化了管路温度变化梯度来尽量减少了这个问题的影响。
空气路与现在的PEMFC燃料电池车系统区别较大。由于ElectroVAN使用高压氧气或液态氧气，所以其提供氧气压力的方法与氢气类似。它通过一个喷氧阀和一个连接至喷氧阀的回路来完成氧气供给和压力的提供。而现在的PEMFC的燃料电池中，阴极，由于只需要供给空气即可，阴极的供气系统的构造要比ElectroVAN简单的多。如下图所示，现在的FCV只需要一个空气压缩机和对应的阀即可完成阴极气体供给和压力提供。但于空气直接取自外界，在空压机前需要增加一个空滤滤掉杂质。不过因为空气无限，系统不需要额外设计一个储氧的系统，也不需要设计为空气的循环，而是直接排出即可。这些使得现在的FCV系统比ElectroVAN简洁的多。
3.冷却回路（电解质回路） 冷却回路也是ElectroVAN和现在FCV区别巨大的一个地方。不同于PEMFC FCV使用冷却液来维持系统温度。在ElectroVAN上，电解质KOH的循环同时承担了提供反应所需的电解质和带走燃料电池反应中产生的废热的任务。如下图，一辆ElectroVAN内设计有一个完整的电解质循环回路，里面包含一个过滤器，一个气液分离器、一个KOH泵以及一个热交换器。整个这一套系统均集成在后座，向底部散热。而目前的PEMFC乘用车和商用车中，散热器通常都是放置在车头或车尾，少有放置于车底的。
燃料、储存方式的选择及续航里程 暂且将氢气和氧气称为燃料吧。。燃料的选择和储存方式上，使用AFC的ElectroVAN更加复杂和麻烦。同时，当时它的续航里程也是十分捉急。。。（对比现在） 如下图，ElectroVAN的设计里，曾尝试采用过两种燃料储存方式，一种是使用液氢和液氧，一种是使用压缩氢气和压缩氧气（5000psi，约350bar）。
经测试，两种燃料储存方式带来的续航里程区别非常巨大。如下图，液氢相当于储存了约367.9升（13 cu ft）纯氢，而350bar压缩气体相当于存储了169.8升（6 cu ft）氢气。这个总储氢量与现在的水平相仿。
对比如今大火的现代NEXO（使用700bar储氢瓶，储氢量约156升），当初ElecroVAN的续航里程可以说是非常糟糕。液氢的情况下能跑100-150英里（约160-241公里），高压储氢的情况下能跑45-65英里（约72-104公里）。而现在在储氢量更少的情况下，能够跑约804km（NEDC工况）。可见FCV的能量利用效率在这些年间有了巨大的提升，不过好像储氢容量并没有提升特别多。 性能与效率
如上图所示，ElectroVAN最大能够达到超过160kW的燃料电池系统功率。但是，它只能在160kW运行很短一段时间，其能实际能够稳定运行的额定功率为32kW。据测试，其峰值功率时的整车能量利用效率为30%，而在额定点上为50%。氢耗大概在每千瓦时0.4-1.0kg氢气。与之对比的，现在单燃料电池电堆的系统随随便便就能稳定运行在60-100kW，更不用说像VAN这种车型了。就像前几期里介绍的PEMFC大巴，基本上各个都能稳定运行在100-200kW以上。 对比起现在FCV车辆的启动运行速度，ElectroVAN系统的启动运行，充分体现出了当时燃料电池技术的不成熟。ElecroVAN的系统不是简单按个键就能够迅速启动，然后就能够让车跑起来。首先他要执行外部能源的检查，看看是否铅酸电池电量足够。然后系统会对自己做一个气体泄漏检验，待气体泄露检验通过后，整个系统会被氩气吹扫一次。直到氩气吹扫完毕，氧气、电解质、氢气回路才会被依次激活。当氢气激活后，系统会依次检查每一个燃料电池去检查有没有燃料电池发生了反极，如果有就将其恢复。当检查到所有的燃料电池都工作正常，系统会进入到分组怠速模式。通常从启动到完成启动，需要花费3个小时。而关机则时将这些流程反过来做一次。（意味着关机也需要3个小时。。。）而现在的燃料电池车，开关机都是秒级别的，对比起来如今的燃料电池车在实用性和使用体验上来说增强了真的不是一点半点。 总结 通过一段时间的试运营，GM的工程师和科学家们总结了一下自己的成果，对于燃料电池技术，他们当时是如此评价的： 1.体积庞大且重量大 2.寿命很短 3.非常复杂的启动和关机过程 4.副产物水的移除非常麻烦 5.气体泄漏和排氢问题没有被很好解决 6.对污染物十分敏感（氢气、空气、电解质） 7.三个回路（氢气、空气、电解质）使得系统复杂度非常高（意味着故障率也会高） 8.对温度有比较复杂的控制要求 9.带来了高电压、电解质泄露、氢气泄露的新安全问题，且碰撞时不安全 10.气-液压力平衡很难做好 11.零部件和相关材料昂贵 现在看来，这些问题里部分还存在，但是大部分的问题都在PEMFC发展了这么长时间后得到了解决或者有了巨大提升。以丰田Mirai为例，如果大家了解相关信息的话，可以发现以上的问题大部分都不复存在或能够被很大程度上改善了，目前第11条还阻拦着燃料电池车的商业化。时光飞逝，不得不感叹各位科学家和工程师的智慧和感谢前辈们的努力让技术在一代又一代地进步。燃料电池技术应用中的许多问题，如今都已得到解决，相信当市场扩大起来后，燃料电池技术规模化后，第11条问题也许就会不复存在了吧。 资料参考： 1.https://en./wiki/Proton-exchange_membrane_fuel_cell 2.https://en./wiki/Alkaline_fuel_cell 3.Marks, C., Rishavy, E. A., & Wyczalek, F. A. (1968). Electrovan—a fuel cell powered vehicle. SAE Transactions, 992-1028. 作者：楚轩 校核：鲤琨
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