它是内燃机燃料鼻祖，马斯克口中的「bullshit」，如今谁为它正名？| 极客考古
「They’ll say certain technologies like fuel cell, and it’s like oh God, fuel cell is so bullshit. The only reason they do fuel cells is… it’s like a marketing thing.」
他们会说一些技术，比如燃料电池，哦天哪，燃料电池简直是 XX！做燃料电池的唯一原因是为了市场营销。
这段话出自马斯克在 2013 年于德国一家特斯拉服务中心内的演说。马斯克的言论从来不拐弯抹角，6 年前他直言不讳，指出氢燃料电池车是整个产业中最没有地位的「边缘产品」，甚至只有需要做品牌营销时才会拿出来。
但也正是从 2013 年末开始，日韩车企开始在氢燃料电池领域发力，相继出现了丰田 Mirai、本田 Clarity 和现代 Nexo 等燃料电池车。当然，不管是技术成熟度还是市场表现，现有的燃料电池车型都不足以打马斯克的脸。
但就在这次东京车展上，丰田发布了第二代 Mirai 概念车。
最近，我也围绕燃料电池在交通工具上的应用进行了大量思考，一切从考古发现开始。
氢气——内燃机燃料鼻祖
前不久，我们做过一期电动车百年发展史的文章，其中提到「究竟是谁造了世界上第一台内燃机车」的话题。但在这次考古中，请允许我自行打脸！当搜集这期选题的材料时，我发现个惊天大幂幂，哦不，是大秘密。
首先我们需要明确内燃机车的定义：内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。
在比 1870 年犹太人研发出内燃机车更早的 1807 年，瑞士的 Francois Isaac de Rivaz 设计了一款内燃机，特殊的是，它由氢气作为燃料驱动。而整台机械甚至连「载具」都称不上，只是单纯用来研究内燃机驱动机械可行性的。储氢装置是个简易气球，并且采用了电点火装置。从结构和原理上看，这就是最简易版的内燃机。
十八世纪末期，出现了小规模制氢热。越来越多的科学家开始考虑如何用氢气或者电能直接驱动机械，来替换掉效率奇低的蒸汽机。那个年代氢和电是两个相互独立的东西，所有人都在想如何单拿出一项来解决问题，却没有想过二者结合会有怎样的化学反应。
在后续十几年的时间里，又出现了多种燃料形式成为驱动汽车运行的能源。可以说在上世纪二十年代之前，汽车市场是「百花齐放」的状态。当石油开采技术和多层级产业链完善之后，内燃机才逐渐成为了我们现在看到的样子。
石油往往会扼住一些国家的咽喉
石油在很长一段时间内是汽车燃料的首选，但总会有意外发生。比如 1941 年，正值二战时期，纳粹包围了列宁格勒和俄罗斯，切断了物资供应，石油面临着快速消耗殆尽的问题。于是军事技术人员 Boris Shelishch 改装了一台 GAZ – aa 卡车，开始使用氢气作为能源。在接到高级指挥官的命令后，Boris Shelishch 和他的组员们在 10 天内将 200 辆 GAZ-aa 型卡车改装成氢气驱动。
过去十年里，国家大规模推动电动车普及，外界也有关于此举的多种论调，其中石油储量问题被多次提及。的确如此，国家石油储备这件事完全「看命」。可能会有人觉得战争离我们非常遥远，就像一百年前，使用电动车完成首个零到一百公里加速记录时，人们也不会相信战争一触即发。
石油是化石燃料，所以如何制造石油是「江湖骗子」们思考的问题，而发电和制氢的途径则有很多种。二战之后，精力富余的国家开始着手研发非石油燃料的内燃机，尤其是军备方面的应用。
虽然氢气内燃机历史长远，但技术成熟度远没有燃油机高，氢气储藏对于科研人员来说是又是非常棘手的问题。如何提高氢气机的效率和功率是二战后军方科研的重点方向，尤其是美军，他们竟然想用氢气机驱动飞机！
1956 年，美军改装了一架 B-57 轰炸机，其中一个引擎是氢气机，飞行员可以在飞行中可以主动选择使用氢发动机。在同一时期，美国洛克希德公司和惠普进行合作，开发以液氢为燃料的高空预警机 CL400。短暂的氢燃料军备热后，大量的氢燃料内燃机技术和产品被雪藏，高昂的研发费用和制造成本使得它们成为了万不得已时的选择。
当然，军队在氢气机的研究报告中也总是出现关于氢气作为燃料可减少排放的陈述。但在上世纪五十年代，依然动荡的局势下，环保的优势在能源供给问题面前还得「往后稍稍」。
燃料电池在载具上的应用竟始于一台拖拉机！
在军队着手研究氢燃料的同时，民用领域在氢燃料载具方面的研究也同时开始。民用方向则围绕着燃料电池来开展，看似比简单粗暴的直接燃氢高级很多，事实上燃料电池如何运用在军事装备上这个问题，二战时期也一直被探索。然而实践出真知，虽然燃料电池转化效率更高，但达不到军备的功率要求。
1932 年，英国剑桥大学的工程学教授 Francis Thomas Bacon 博士率先研制出了碱性燃料电池，并把第一个碱性燃料电池以自己的名字命名为「培根电池」。第二次世界大战期间，Bacon 被派往英国军队工作，他继续在反潜实验基地进行燃料电池的研究。然而，战争在他的实验室工作取得实际成果之前就结束了。
Bacon 从未放弃过这个有前途的概念，并在 1959 年为他的装置申请了专利。他展示了一个燃料电池单元，可以产生 6 千瓦的能量，只能为一台电焊机供电。
在 Bacon 申请专利的同时，美国的哈里·卡尔·伊里格也开始涉足燃料电池。他把工作方向集中在农用机械上，而不是更前沿的领域。他将农具制造商 Allis-Chalmers 的拖拉机改造成为电机驱动，而动力则来自燃料电池，能源是储存在压力罐中的甲烷，输出功率达到 15 千瓦。这台拖拉机也成为了世界上第一台燃料电池驱动的载具。
在美国空军的协助下，Alice – chalmers 又继续了数年燃料电池方面的研究。他们组装了一辆燃料电池驱动的叉车和一辆高尔夫球车。
后来的时间里，氢燃料电池在交通工具上的应用几乎停滞不前。话说回来，还是因为石油在汽车产业中「可卡因」般的存在，没有利益就没有动力。
直到 1966 年，通用研发出了第一台真正意义上的燃料电池车。以 GMC Handivan 为基础，将所有的燃料电池部件和储氢罐装在面包车的后部，本来六人的后排空间，改造后只能容下两人。它的行驶里程也只是 120 英里。
后来一段时间里，改造燃料电池驱动汽车的案例有很多，尤其是受到石油危机后各种环保主义的影响，不过当时围绕氢燃料的产品分为两大流派：燃料电池派和氢气内燃机派。尤其是德国和日本车企，早期更中意氢气内燃机。
（奔驰 280TE 曾被改造成可以燃烧氢气和石油两种燃料的版本）
氢气机和燃料电池究竟谁才是真理？
氢气机和燃料电池，二者的初衷是相同的，究竟谁更胜一筹？我个人认为，氢作为能源的正确迭代，应该是从氢气内燃机转向燃料电池。很明确的一点，氢直接作为内燃机燃料的局限性非常大，可以说治标不治本。
内燃机的效率必定会受卡诺循环影响，注定无法有较大的热效率突破。而氢燃料电池虽然要经过由氢到电，再由电到动能的转变，但效率依然可以达到 80%以上。所以从效率的角度燃料电池完胜。
未来汽车会进入一个高度电气化的时代，所以，以电作为最终能源形式驱动汽车更能适应未来的发展方向，也留有足够的发展空间。当然，这些都是后话了。
氢气内燃机最大的优势是成本较氢燃料电池低，成品的燃油内燃机就能改造出燃氢内燃机。所以，如果以零污染汽车作为前提，氢气内燃机会因价格优势先进入市场，给燃料电池的技术攻关争取足够的时间。
但事实证明，石油对于市场经济来说实在是「香」。即便从内燃机结构上氢与石油是相似的，存储上氢气的成本依旧高昂。
石油危机的风波过去后，氢气内燃机车一度成为了车企的品牌塑造手段。最典型的例子是宝马十年前发布的 hydrogen 7，在宝马 E65 760i 的基础上改造 V12 发动机，成为一台可以燃烧氢气和燃油两种燃料的发动机。当然，宝马也宣称自己是世界第一，据上面的考古就知道，事实并非如此。这款车一共生产了 100 台，主要提供给名人和政客。
氢燃料汽车的路又在何方？
目前世界上最执着于氢燃料电池研发的莫过于日韩车企。这一阵营的最新动作是丰田第二代 Mirai 概念车的发布。Mirai 是丰田量产的氢燃料电池汽车，主要面对美国、日本和欧洲市场。这次官宣对于氢燃料电池汽车乃至整个汽车行业都是极震撼的，至少有三点让人细思极恐：
1. 在毫无市场可言的情况下，以正常燃油车相同的速度进行换代；
2. 违背传统丰田思路，新 Mirai 将会是一款后驱车；
3. 预计年产达到 30000 台。
Mirai 最大的市场在美国，但自 2015 年于美国推出以来，Mirai 的销量也不过 6000 台左右，其中只有 1%是个人拥有，其他都是以租赁的方式供应。而且为了促进销量，丰田自掏腰包，给每个 Mirai 的拥有提供 3 年的加氢补助，封顶为 1.5 万美金。
了解氢燃料电池汽车的人都会发现一点，即便我们讲加氢和加油一样快捷，但在氢燃料电池车的相关报导和发布信息中，并没有人计算百公里氢消耗量，而是像电动车一样标续航里程。一方面因为很少有人了解氢的行情，另一方面也体现出，加氢不方便的问题让续航也成为考核氢燃料电池车的硬性标准。
加氢不方便是 Mirai 没有销量的一点原因，另一点则是售价。Mirai 在北美市场的售价是 5.85 万美金，这个价格完全可以买到入门版的宝马 X5。「五万八千五，丐配买叉儿五」 加上美国本土车企在氢燃料电池车领域没有量产产品，所以除了加州，氢燃料电池汽车没有大规模利好政策，这也是丰田为什么要自掏腰包的原因。
所以在这种情况下，丰田 Mirai 的换代速度属实骇人。
关于新 Mirai 的参数配置，续航方面丰田表示较老款增加 30%，也就是说达到了 400 英里。造型上采用更先进的空气动力学，配备 12.3 寸屏幕和 14 个扬声器的 JBL 音响。让人惊奇的是，历史上有很多很多为了成本考虑将后驱车改为前驱的例子，如今丰田竟反其道而行，将本来前驱的 Mirai 改为了后驱，或采用最先进的 e-TNGA 架构打造。更有各种消息表示，20 寸轮毂将会是标配。
加上新 Mirai 惊艳的外观，这辆概念车完全颠覆了初代 Mirai 留在人们印象中「技术怪胎」的形象。残忍的是，第二代 Mirai 的售价并不会发生太大变化，或许丰田希望将它塑造成更加豪华前卫的形象，正所谓「没有后驱，不算豪华」。
年产 30000 台对于 Mirai 来说无疑是巨大的挑战，即便掏出小六万美金买下它，背后还有高昂的用车成本等着消费者们。曾有外媒测试表明，Mirai 的用车成本是特斯拉 Model 3 的四倍！
虽然第二代 Mirai 目前只是概念车，但是类比初代 Mirai 的概念和量产版来看，丰田还是会将概念中的点全力落地。
马斯克是个擅长描绘未来的人，也一度唾弃过氢燃料电池的不切实际。虽然我们还不知道全新 Mirai 更深度的信息，但丰田的种种动作表明，它们有信心让马斯克看到未来。
往期回顾：极客考古系列
③《它比石油更早地用在交通工具领域，却被现在的人称作「新能源」》
④《从 0G 到 5G，「地图」对于交通工具的意义愈加不凡》
王煊
极客考古专栏作者
