豐田氫燃料電池汽車(chē)引總理側(cè)目 氫燃料電池才是未來(lái)？

【導(dǎo)讀】：日本汽車(chē)巨頭豐田的新能源汽車(chē)火了，最近李克強(qiáng)總理參觀了位于北海道的日本豐田汽車(chē)旗下工廠的時(shí)候，看到一款車(chē)練練稱(chēng)贊，它就是田氫燃料電池汽車(chē)，難道 氫燃料電池才是未來(lái)趨勢(shì)？

據(jù)悉，李克強(qiáng)總理在豐田汽車(chē)工廠參觀時(shí)，看到一輛汽車(chē)后面色凝重，并不是失望，而是覺(jué)得不可思議，李克強(qiáng)總理看的這款車(chē)，就是豐田汽車(chē)的氫燃料電池轎車(chē)Mirai（日文“未來(lái)”之意）。

“Mirai”是豐田首款量產(chǎn)的氫燃料電池車(chē)。如其名，Mirai被豐田汽車(chē)視為“未來(lái)之車(chē)”。

Mirai在行駛過(guò)程中不加油、不充電、不排放尾氣，唯一排放的廢物是純凈水！

Mirai代表著未來(lái)，一個(gè)真正節(jié)能而環(huán)保的汽車(chē)時(shí)代。

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展至今，時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但是技術(shù)卻進(jìn)展飛速，但是電池的問(wèn)題遇到了瓶頸，鋰電池在續(xù)航里程、充電時(shí)間、使用壽命方面遲遲沒(méi)有得到更大的突破，這個(gè)時(shí)候氫燃料電池脫穎而出，具有更高能量密度的氫燃料電池更適用于電動(dòng)汽車(chē)。

就在大家都在大干快上電動(dòng)車(chē)，搶時(shí)間爭(zhēng)速度，又都在為何時(shí)終結(jié)燃油車(chē)而糾結(jié)不堪時(shí)，豐田的氫燃料電池車(chē)——“未來(lái)（MIRAI）”來(lái)了。這是汽車(chē)轉(zhuǎn)型的終極目標(biāo)，也就是說(shuō)，它將徹底替代傳統(tǒng)汽車(chē)，并重新定義汽車(chē)。10月30日，在常熟豐田技研中心，來(lái)自全國(guó)的汽車(chē)媒體試駕了這款車(chē)，并同時(shí)參觀了這款車(chē)將引入中國(guó)前的“國(guó)產(chǎn)化”準(zhǔn)備（實(shí)證實(shí)驗(yàn)），以及配備的加氫站等。這些跡象表明，“未來(lái)”真的要來(lái)了。這意味著什么？

在今年（2017）的東京車(chē)展上，人們看到豐田推出的新車(chē)型包括概念車(chē)在內(nèi)，打的都是“氫”牌，從新型出租車(chē)到奧運(yùn)巴士以及概念車(chē)等，都在為終結(jié)傳統(tǒng)汽車(chē)做準(zhǔn)備。對(duì)于汽車(chē)的轉(zhuǎn)型，早在五年前的東京車(chē)展上，就開(kāi)始普及混動(dòng)技術(shù)，并被大家所接受。

迄今為止，豐田混動(dòng)汽車(chē)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)銷(xiāo)售了1100萬(wàn)輛。如今，國(guó)際車(chē)壇把混動(dòng)技術(shù)的普及當(dāng)作汽車(chē)轉(zhuǎn)型入門(mén)的開(kāi)始，即便是插混或純電動(dòng)也都離不開(kāi)混動(dòng)為基礎(chǔ)。從那時(shí)起，福特和寶馬也都積極地與豐田尋求這方面的合作引起業(yè)界關(guān)注。

在試駕“未來(lái)”這款車(chē)時(shí)，體會(huì)最深的是不影響傳統(tǒng)汽車(chē)的駕駛習(xí)慣，沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲響，開(kāi)車(chē)的靜謐性極佳，一次充氣（氫），只需3分鐘，就能行駛500公里，與傳統(tǒng)車(chē)加油的時(shí)間相當(dāng)。這款車(chē)的售價(jià)是多少？如果折合人民幣，也只有40萬(wàn)元左右（723.6萬(wàn)日元）。按照豐田2050戰(zhàn)略，HEV、PHEV 只是短期目標(biāo)，而中長(zhǎng)期目標(biāo)則要靠FCV，最終要實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)。而“未來(lái)”的推出，表明豐田這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)已經(jīng)提前。

盡管“未來(lái)”還處在實(shí)證實(shí)驗(yàn)階段，但按豐田辦事風(fēng)格來(lái)看，一項(xiàng)新的技術(shù)和成果不到成熟階段是不會(huì)示人的，就像在中國(guó)實(shí)施雙擎戰(zhàn)略，先建研發(fā)中心，再?lài)?guó)產(chǎn)，而后再上市。事實(shí)證明，這種“后發(fā)制人”的策略，表明對(duì)技術(shù)的自信和市場(chǎng)的把握，對(duì)前瞻的洞察有充分的準(zhǔn)備。尤其是當(dāng)零差價(jià)的雙擎（卡羅拉和雷凌）一經(jīng)問(wèn)世，就無(wú)敵手，一舉成為混動(dòng)市場(chǎng)的標(biāo)桿。而今，“未來(lái)”來(lái)了，可以預(yù)見(jiàn)，這是繼雙擎之后零排放的最為理想的終極車(chē)。

豐田在華舉行“未來(lái)”試駕體驗(yàn) 劍指何方？

以“技術(shù)空間”名義舉辦的此次活動(dòng)，是豐田（中國(guó)）技研中心自開(kāi)業(yè)以來(lái)每年都要舉行的慣例，旨在介紹豐田的最新技術(shù)和發(fā)展動(dòng)向。與以往介紹混動(dòng)技術(shù)為主不同，此次是以氫燃料電池車(chē)為主體，表達(dá)了新能源汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。

豐田（中國(guó)）投資有限公司董事長(zhǎng)大西弘致表示，對(duì)“未來(lái)”實(shí)證實(shí)驗(yàn)就是為了引進(jìn)的可行性，并應(yīng)用到更廣泛的商業(yè)領(lǐng)域做準(zhǔn)備。他認(rèn)為，“未來(lái)”是終極環(huán)保車(chē)，對(duì)節(jié)能減排有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。而目前看來(lái)，“未來(lái)”此舉對(duì)于中國(guó)則有捷足先登的可能。

現(xiàn)在世界新能源車(chē)形勢(shì) 到了一個(gè)轉(zhuǎn)折關(guān)頭

安邦智庫(kù)（ANBOUND）首席研究員陳功先生認(rèn)為，現(xiàn)在世界新能源車(chē)的形勢(shì)已經(jīng)到了一個(gè)轉(zhuǎn)折的關(guān)頭。如果豐田公司以及其他一些世界汽車(chē)巨頭的研發(fā)路徑和產(chǎn)品路徑是正確的，那么就意味著中國(guó)的新能源車(chē)的路徑徹底錯(cuò)誤，中國(guó)距離新能源車(chē)的時(shí)代，不是越來(lái)越近了，而是越來(lái)越遠(yuǎn)了！而且我們與世界標(biāo)準(zhǔn)，世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的核心新技術(shù)，差距也拉大了。

當(dāng)然，也有可能出現(xiàn)另外的一種情況，那就是全球主要汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的巨頭，如豐田、奔馳克萊斯勒、奧迪，還有福特、寶馬都錯(cuò)了，我們對(duì)了，那當(dāng)然中國(guó)汽車(chē)工業(yè)就將主導(dǎo)未來(lái)。

未來(lái)的世界是肯定的，全球主要國(guó)家都將使用新能源車(chē)，如同各國(guó)確定的政策目標(biāo)時(shí)間限制一樣，這是確定的大趨勢(shì)。關(guān)鍵在于，用什么樣的技術(shù)路徑去實(shí)現(xiàn)？安邦智庫(kù)早已警告過(guò)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)政策由中國(guó)的汽車(chē)行業(yè)來(lái)制訂，自說(shuō)自話是存在巨大風(fēng)險(xiǎn)的?，F(xiàn)在看，這樣的風(fēng)險(xiǎn)正在日益轉(zhuǎn)化為不可接受的現(xiàn)實(shí)。

補(bǔ)充閱讀：

Mirai的工作原理，通過(guò)電解水制氫，再把氫氣加入車(chē)內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為車(chē)提供動(dòng)力。

技術(shù)將夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)

“燃料電池”這四個(gè)字想必大家或多或少都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，因?yàn)檫@是全世界科學(xué)家研究了數(shù)十年的技術(shù)，始終沒(méi)有取得重大的技術(shù)突破，至少是沒(méi)有誰(shuí)能夠拿得出成本適合消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的成熟技術(shù)。

而在四年以前，豐田就已放出豪言說(shuō)已經(jīng)在燃料電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，可以使車(chē)用燃料電池的成本從100萬(wàn)美元降到5萬(wàn)美元，降幅高達(dá)95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現(xiàn)了豪言。這是首次投放市場(chǎng)的量產(chǎn)燃料電池車(chē)。

宇宙黑科技的由來(lái)

豐田Mirai的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的汽油車(chē)或者純電動(dòng)車(chē)都不一樣，如果硬要找出一個(gè)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，可能豐田最暢銷(xiāo)的普銳斯跟Mirai會(huì)有著一點(diǎn)點(diǎn)相似的結(jié)構(gòu)吧。

Mirai的動(dòng)力系統(tǒng)被稱(chēng)作TFSC（Toyota FC Stack），即豐田燃料電池堆棧，是以燃料電池堆棧為核心組件的混合動(dòng)力系統(tǒng)。TFSC沒(méi)有傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，也沒(méi)有變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部是電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的控制單元。

在駕駛艙底部布置著的燃料電池堆棧是整套系統(tǒng)的核心，本文也將著重點(diǎn)筆墨來(lái)對(duì)其做出解析。在車(chē)身后橋部分放置著一個(gè)鎳氫動(dòng)力電池組和前后兩個(gè)高壓儲(chǔ)氫罐，沒(méi)錯(cuò)，沒(méi)有油箱和大面積的鋰離子電池，Mirai唯一需要消耗的“燃料”就是氫氣，不用加油也不用充電，加滿5公斤氫氣就可以連續(xù)跑上650公里！

而為什么要在題目中說(shuō)燃料電池是“宇宙黑科技”呢？那是因?yàn)闅湓厥怯钪嬷凶钬S富的成分，氫元素在地球上儲(chǔ)量也是最豐富的，而氫氣在燃料電池中跟空氣中的氧氣結(jié)合，排出的唯一“廢物”是純凈水！所以氫燃料電池一直被認(rèn)為是“外星科技”，是最適合宇宙空間站或者宇宙探測(cè)器使用的備用能源之一。

燃料電池工作原理

雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣，同時(shí)氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒，但在燃料電池卻不是利用燃燒來(lái)獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移來(lái)形成電流的，這一過(guò)程最關(guān)鍵的技術(shù)就是利用特殊的“電解質(zhì)薄膜”將氫氣拆分，整個(gè)過(guò)程可以理解成蚊子無(wú)法穿過(guò)紗窗，但是更小的灰塵卻可以……電解質(zhì)薄膜也是燃料電池領(lǐng)域最難被攻克的技術(shù)壁壘。

因?yàn)闅浞肿芋w積小，可以透過(guò)薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去，但是在穿越孔洞的過(guò)程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過(guò)，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負(fù)電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來(lái)講，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程就是發(fā)電過(guò)程。因此Mirai是純電動(dòng)車(chē)，燃料電池堆棧代替的就是厚重且充電效率低下的鋰離子電池組。

豐田Mirai搭載的燃料電池堆棧是由370片薄片燃料電池組成的，因此被稱(chēng)為“堆棧”，一共可以輸出114千瓦的發(fā)電功率。此前我們也分析了大眾集團(tuán)的燃料電池技術(shù)，結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似。豐田的燃料電池堆棧經(jīng)歷了十幾年的技術(shù)優(yōu)化，形成了自己的特色結(jié)構(gòu)，比如3D立體微流道技術(shù)，通過(guò)更好地排出副產(chǎn)物水，讓更多空氣流入，有效改善了發(fā)電效率。所以整個(gè)堆棧的發(fā)電效率達(dá)到了世界先進(jìn)水平，達(dá)到了3.1千瓦/升，比2008年豐田的技術(shù)整整提升了2.2倍。

由于燃料電池堆棧中每片電池發(fā)電的電壓大約在0.6V-0.8V之間，整體也不會(huì)超過(guò)300V電壓，所以為了更好驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，還需要安裝一個(gè)升壓器，將電壓提升到650V。

700個(gè)大氣壓下儲(chǔ)存氫氣

了解氫氣物理特性的人都清楚，氫氣跟汽油不同，常溫下氫氣是氣體，密度非常低并且非常難液化，常溫下更是無(wú)法液化，所以氫氣要安全儲(chǔ)藏和運(yùn)輸并不容易。所以氫氣無(wú)法像汽油那樣直接注入普通油箱里。豐田設(shè)計(jì)了一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐，通過(guò)高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲(chǔ)存技術(shù)，豐田選用了70 Mpa也就是700個(gè)大氣壓的高壓儲(chǔ)氣罐，類(lèi)似我們常見(jiàn)的“煤氣罐”，只不過(guò)罐體更厚重。兩個(gè)儲(chǔ)氫罐一共的容量是122.4升，采用700個(gè)大氣壓儲(chǔ)存，也只能容納約5公斤的氫氣。所以實(shí)際上燃料的重量并不大，反而儲(chǔ)氫罐特別笨重。

為了在承受700個(gè)大氣壓的前提下仍舊保持行駛安全性，我們可都不希望坐在兩個(gè)炸彈上面開(kāi)車(chē)吧？所以?xún)?chǔ)氫罐被設(shè)計(jì)成四層結(jié)構(gòu)，鋁合金的罐體內(nèi)部襯有塑料內(nèi)膽，外面包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)層，保護(hù)層外側(cè)再增加一層玻璃纖維材料的減震保護(hù)層，并且每一層的纖維紋路都根據(jù)所處罐身位置不同而做了額外的優(yōu)化，使纖維順著壓力分布的方向，提升保護(hù)層的效果。

燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動(dòng)力

直接驅(qū)動(dòng)Mirai車(chē)輪的電動(dòng)機(jī)功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當(dāng)于一輛2.0升自然吸氣家轎的動(dòng)力水平。除了燃料電池堆棧發(fā)電之外，Mirai后軸上方布置的1.6千瓦時(shí)的鎳氫電池組也有著非常重要的作用——動(dòng)力電池+儲(chǔ)能電池。這個(gè)電池組基本上跟凱美瑞混動(dòng)的電池完全一樣，在整車(chē)負(fù)載低的時(shí)候可以單獨(dú)用它供電帶動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，與此同時(shí)燃料電池堆棧發(fā)出來(lái)的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當(dāng)一個(gè)“緩存”；

當(dāng)車(chē)輛有更大的動(dòng)力需求的時(shí)候，鎳氫電池組很快就會(huì)耗光，所以這時(shí)候燃料電池堆棧就直接向電動(dòng)機(jī)輸電，跟鎳氫電池組實(shí)現(xiàn)雙重供電來(lái)滿足需求；當(dāng)車(chē)輛減速行駛的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)來(lái)回收動(dòng)能，電量直接輸送到鎳氫電池組內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)。