氫燃料電池才是未來？

【導(dǎo)讀】：日本汽車巨頭豐田的新能源汽車火了，最近***總理參觀了位于北海道的日本豐田汽車旗下工廠的時候，看到一款車練練稱贊，它就是田氫燃料電池汽車，難道 氫燃料電池才是未來趨勢？

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

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

Mirai在行駛過程中不加油、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，一個真正節(jié)能而環(huán)保的汽車時代。

電動汽車發(fā)展至今，時間雖然不長，但是技術(shù)卻進展飛速，但是電池的問題遇到了瓶頸，鋰電池在續(xù)航里程、充電時間、使用壽命方面遲遲沒有得到更大的突破，這個時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汽車。

就在大家都在大干快上電動車，搶時間爭速度，又都在為何時終結(jié)燃油車而糾結(jié)不堪時，豐田的氫燃料電池車——“未來（MIRAI）”來了。這是汽車轉(zhuǎn)型的終極目標，也就是說，它將徹底替代傳統(tǒng)汽車，并重新定義汽車。10月30日，在常熟豐田技研中心，來自全國的汽車媒體試駕了這款車，并同時參觀了這款車將引入中國前的“國產(chǎn)化”準備（實證實驗），以及配備的加氫站等。這些跡象表明，“未來”真的要來了。這意味著什么？

在今年（2017）的東京車展上，人們看到豐田推出的新車型包括概念車在內(nèi)，打的都是“氫”牌，從新型出租車到奧運巴士以及概念車等，都在為終結(jié)傳統(tǒng)汽車做準備。對于汽車的轉(zhuǎn)型，早在五年前的東京車展上，就開始普及混動技術(shù)，并被大家所接受。

迄今為止，豐田混動汽車在全球范圍內(nèi)已經(jīng)銷售了1100萬輛。如今，國際車壇把混動技術(shù)的普及當作汽車轉(zhuǎn)型入門的開始，即便是插混或純電動也都離不開混動為基礎(chǔ)。從那時起，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”這款車時，體會最深的是不影響傳統(tǒng)汽車的駕駛習(xí)慣，沒有了發(fā)動機的聲響，開車的靜謐性極佳，一次充氣（氫），只需3分鐘，就能行駛500公里，與傳統(tǒng)車加油的時間相當。這款車的售價是多少？如果折合人民幣，也只有40萬元左右（723.6萬日元）。按照豐田2050戰(zhàn)略，HEV、PHEV 只是短期目標，而中長期目標則要靠FCV，最終要實現(xiàn)零排放目標。而“未來”的推出，表明豐田這一目標實現(xiàn)已經(jīng)提前。

盡管“未來”還處在實證實驗階段，但按豐田辦事風格來看，一項新的技術(shù)和成果不到成熟階段是不會示人的，就像在中國實施雙擎戰(zhàn)略，先建研發(fā)中心，再國產(chǎn)，而后再上市。事實證明，這種“后發(fā)制人”的策略，表明對技術(shù)的自信和市場的把握，對前瞻的洞察有充分的準備。尤其是當零差價的雙擎（卡羅拉和雷凌）一經(jīng)問世，就無敵手，一舉成為混動市場的標桿。而今，“未來”來了，可以預(yù)見，這是繼雙擎之后零排放的最為理想的終極車。

豐田在華舉行“未來”試駕體驗

劍指何方？

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

豐田（中國）投資有限公司董事長大西弘致表示，對“未來”實證實驗就是為了引進的可行性，并應(yīng)用到更廣泛的商業(yè)領(lǐng)域做準備。他認為，“未來”是終極環(huán)保車，對節(jié)能減排有著重要的現(xiàn)實意義。而目前看來，“未來”此舉對于中國則有捷足先登的可能。

現(xiàn)在世界新能源車形勢

到了一個轉(zhuǎn)折關(guān)頭

安邦智庫（ANBOUND）首席研究員陳功先生認為，現(xiàn)在世界新能源車的形勢已經(jīng)到了一個轉(zhuǎn)折的關(guān)頭。如果豐田公司以及其他一些世界汽車巨頭的研發(fā)路徑和產(chǎn)品路徑是正確的，那么就意味著中國的新能源車的路徑徹底錯誤，中國距離新能源車的時代，不是越來越近了，而是越來越遠了！而且我們與世界標準，世界汽車產(chǎn)業(yè)的核心新技術(shù)，差距也拉大了。

當然，也有可能出現(xiàn)另外的一種情況，那就是全球主要汽車產(chǎn)業(yè)的巨頭，如豐田、奔馳克萊斯勒、奧迪，還有福特、寶馬都錯了，我們對了，那當然中國汽車工業(yè)就將主導(dǎo)未來。

未來的世界是肯定的，全球主要國家都將使用新能源車，如同各國確定的政策目標時間限制一樣，這是確定的大趨勢。關(guān)鍵在于，用什么樣的技術(shù)路徑去實現(xiàn)？安邦智庫早已警告過，汽車產(chǎn)業(yè)政策由中國的汽車行業(yè)來制訂，自說自話是存在巨大風險的?，F(xiàn)在看，這樣的風險正在日益轉(zhuǎn)化為不可接受的現(xiàn)實。

補充閱讀：

Mirai的工作原理，通過電解水制氫，再把氫氣加入車內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動電機為車提供動力。

技術(shù)將夢想變成現(xiàn)實

“燃料電池”這四個字想必大家或多或少都聽說過，因為這是全世界科學(xué)家研究了數(shù)十年的技術(shù)，始終沒有取得重大的技術(shù)突破，至少是沒有誰能夠拿得出成本適合消費級市場的成熟技術(shù)。

而在四年以前，豐田就已放出豪言說已經(jīng)在燃料電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，可以使車用燃料電池的成本從100萬美元降到5萬美元，降幅高達95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現(xiàn)了豪言。這是首次投放市場的量產(chǎn)燃料電池車。

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宇宙黑科技的由來

豐田Mirai的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的汽油車或者純電動車都不一樣，如果硬要找出一個類似的結(jié)構(gòu)，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會有著一點點相似的結(jié)構(gòu)吧。

Mirai的動力系統(tǒng)被稱作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力系統(tǒng)。TFSC沒有傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機，也沒有變速器，發(fā)動機艙內(nèi)部是電動機和電動機的控制單元。

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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，本文也將著重點筆墨來對其做出解析。在車身后橋部分放置著一個鎳氫動力電池組和前后兩個高壓儲氫罐，沒錯，沒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燃料電池是“宇宙黑科技”呢？那是因為氫元素是宇宙中最豐富的成分，氫元素在地球上儲量也是最豐富的，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為是“外星科技”，是最適合宇宙空間站或者宇宙探測器使用的備用能源之一。

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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獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移來形成電流的，這一過程最關(guān)鍵的技術(shù)就是利用特殊的“電解質(zhì)薄膜”將氫氣拆分，整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，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。

因為氫分子體積小，可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去，但是在穿越孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過，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（負電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個氫離子和一個氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來講，整個運行過程就是發(fā)電過程。因此Mirai是純電動車，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，因此被稱為“堆?！?，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的燃料電池技術(shù)，結(jié)構(gòu)基本類似。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。所以整個堆棧的發(fā)電效率達到了世界先進水平，達到了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，整體也不會超過300V電壓，所以為了更好驅(qū)動電動機，還需要安裝一個升壓器，將電壓提升到650V。

700個大氣壓下儲存氫氣

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，常溫下更是無法液化，所以氫氣要安全儲藏和運輸并不容易。所以氫氣無法像汽油那樣直接注入普通油箱里。豐田設(shè)計了一大一小兩個儲氫罐，通過高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲存技術(shù)，豐田選用了70 Mpa也就是700個大氣壓的高壓儲氣罐，類似我們常見的“煤氣罐”，只不過罐體更厚重。兩個儲氫罐一共的容量是122.4升，采用700個大氣壓儲存，也只能容納約5公斤的氫氣。所以實際上燃料的重量并不大，反而儲氫罐特別笨重。

為了在承受700個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炸彈上面開車吧？所以儲氫罐被設(shè)計成四層結(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化塑料的保護層，保護層外側(cè)再增加一層玻璃纖維材料的減震保護層，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，提升保護層的效果。

燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動力

直接驅(qū)動Mirai車輪的電動機功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當于一輛2.0升自然吸氣家轎的動力水平。除了燃料電池堆棧發(fā)電之外，Mirai后軸上方布置的1.6千瓦時的鎳氫電池組也有著非常重要的作用——動力電池+儲能電池。這個電池組基本上跟凱美瑞混動的電池完全一樣，在整車負載低的時候可以單獨用它供電帶動車輛前進，與此同時燃料電池堆棧發(fā)出來的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當一個“緩存”；

當車輛有更大的動力需求的時候，鎳氫電池組很快就會耗光，所以這時候燃料電池堆棧就直接向電動機輸電，跟鎳氫電池組實現(xiàn)雙重供電來滿足需求；當車輛減速行駛的時候，電動機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機來回收動能，電量直接輸送到鎳氫電池組內(nèi)儲存起來。