氢燃料电池才是未来？

【导读】：日本汽车巨头丰田的新能源汽车火了，最近***总理参观了位于北海道的日本丰田汽车旗下工厂的时候，看到一款车练练称赞，它就是田氢燃料电池汽车，难道 氢燃料电池才是未来趋势？

 

据悉，***总理在丰田汽车工厂参观时，看到一辆汽车后面色凝重，并不是失望，而是觉得不可思议，***总理看的这款车，就是丰田汽车的氢燃料电池轿车Mirai（日文“未来”之意）。

“Mirai”是丰田首款量产的氢燃料电池车。如其名，Mirai被丰田汽车视为“未来之车”。

Mirai在行驶过程中不加油、不充电、不排放尾气，唯一排放的废物是纯净水！

Mirai代表着未来，一个真正节能而环保的汽车时代。

电动汽车发展至今，时间虽然不长，但是技术却进展飞速，但是电池的问题遇到了瓶颈，锂电池在续航里程、充电时间、使用寿命方面迟迟没有得到更大的突破，这个时候氢燃料电池脱颖而出，具有更高能量密度的氢燃料电池更适用于电动汽车。

就在大家都在大干快上电动车，抢时间争速度，又都在为何时终结燃油车而纠结不堪时，丰田的氢燃料电池车——“未来（MIRAI）”来了。这是汽车转型的终极目标，也就是说，它将彻底替代传统汽车，并重新定义汽车。10月30日，在常熟丰田技研中心，来自全国的汽车媒体试驾了这款车，并同时参观了这款车将引入中国前的“国产化”准备（实证实验），以及配备的加氢站等。这些迹象表明，“未来”真的要来了。这意味着什么？

在今年（2017）的东京车展上，人们看到丰田推出的新车型包括概念车在内，打的都是“氢”牌，从新型出租车到奥运巴士以及概念车等，都在为终结传统汽车做准备。对于汽车的转型，早在五年前的东京车展上，就开始普及混动技术，并被大家所接受。

迄今为止，丰田混动汽车在全球范围内已经销售了1100万辆。如今，国际车坛把混动技术的普及当作汽车转型入门的开始，即便是插混或纯电动也都离不开混动为基础。从那时起，福特和宝马也都积极地与丰田寻求这方面的合作引起业界关注。

在试驾“未来”这款车时，体会最深的是不影响传统汽车的驾驶习惯，没有了发动机的声响，开车的静谧性极佳，一次充气（氢），只需3分钟，就能行驶500公里，与传统车加油的时间相当。这款车的售价是多少？如果折合人民币，也只有40万元左右（723.6万日元）。按照丰田2050战略，HEV、PHEV 只是短期目标，而中长期目标则要靠FCV，最终要实现零排放目标。而“未来”的推出，表明丰田这一目标实现已经提前。

尽管“未来”还处在实证实验阶段，但按丰田办事风格来看，一项新的技术和成果不到成熟阶段是不会示人的，就像在中国实施双擎战略，先建研发中心，再国产，而后再上市。事实证明，这种“后发制人”的策略，表明对技术的自信和市场的把握，对前瞻的洞察有充分的准备。尤其是当零差价的双擎（卡罗拉和雷凌）一经问世，就无敌手，一举成为混动市场的标杆。而今，“未来”来了，可以预见，这是继双擎之后零排放的最为理想的终极车。

丰田在华举行“未来”试驾体验

剑指何方？

以“技术空间”名义举办的此次活动，是丰田（中国）技研中心自开业以来每年都要举行的惯例，旨在介绍丰田的最新技术和发展动向。与以往介绍混动技术为主不同，此次是以氢燃料电池车为主体，表达了新能源汽车发展的趋势。

丰田（中国）投资有限公司董事长大西弘致表示，对“未来”实证实验就是为了引进的可行性，并应用到更广泛的商业领域做准备。他认为，“未来”是终极环保车，对节能减排有着重要的现实意义。而目前看来，“未来”此举对于中国则有捷足先登的可能。

现在世界新能源车形势

到了一个转折关头

安邦智库（ANBOUND）首席研究员陈功先生认为，现在世界新能源车的形势已经到了一个转折的关头。如果丰田公司以及其他一些世界汽车巨头的研发路径和产品路径是正确的，那么就意味着中国的新能源车的路径彻底错误，中国距离新能源车的时代，不是越来越近了，而是越来越远了！而且我们与世界标准，世界汽车产业的核心新技术，差距也拉大了。

当然，也有可能出现另外的一种情况，那就是全球主要汽车产业的巨头，如丰田、奔驰克莱斯勒、奥迪，还有福特、宝马都错了，我们对了，那当然中国汽车工业就将主导未来。

未来的世界是肯定的，全球主要国家都将使用新能源车，如同各国确定的政策目标时间限制一样，这是确定的大趋势。关键在于，用什么样的技术路径去实现？安邦智库早已警告过，汽车产业政策由中国的汽车行业来制订，自说自话是存在巨大风险的。现在看，这样的风险正在日益转化为不可接受的现实。

补充阅读：

Mirai的工作原理，通过电解水制氢，再把氢气加入车内发生化学反应驱动电机为车提供动力。

技术将梦想变成现实

“燃料电池”这四个字想必大家或多或少都听说过，因为这是全世界科学家研究了数十年的技术，始终没有取得重大的技术突破，至少是没有谁能够拿得出成本适合消费级市场的成熟技术。

而在四年以前，丰田就已放出豪言说已经在燃料电池领域取得了技术突破，可以使车用燃料电池的成本从100万美元降到5万美元，降幅高达95%！不到一年，丰田便用Mirai兑现了豪言。这是首次投放市场的量产燃料电池车。

 

宇宙黑科技的由来

丰田Mirai的结构与传统的汽油车或者纯电动车都不一样，如果硬要找出一个类似的结构，可能丰田最畅销的普锐斯跟Mirai会有着一点点相似的结构吧。

Mirai的动力系统被称作TFSC（Toyota FC Stack），即丰田燃料电池堆栈，是以燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。TFSC没有传统的汽油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元。

 

在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心，本文也将着重点笔墨来对其做出解析。在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，没错，没有油箱和大面积的锂离子电池，Mirai唯一需要消耗的“燃料”就是氢气，不用加油也不用充电，加满5公斤氢气就可以连续跑上650公里！

而为什么要在题目中说燃料电池是“宇宙黑科技”呢？那是因为氢元素是宇宙中最丰富的成分，氢元素在地球上储量也是最丰富的，而氢气在燃料电池中跟空气中的氧气结合，排出的唯一“废物”是纯净水！所以氢燃料电池一直被认为是“外星科技”，是最适合宇宙空间站或者宇宙探测器使用的备用能源之一。

 

燃料电池工作原理

虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。

因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，整个运行过程就是发电过程。因此Mirai是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。

丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114千瓦的发电功率。此前我们也分析了大众集团的燃料电池技术，结构基本类似。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D立体微流道技术，通过更好地排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发电效率达到了世界先进水平，达到了3.1千瓦/升，比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍。

由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提升到650V。

700个大气压下储存氢气

了解氢气物理特性的人都清楚，氢气跟汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低并且非常难液化，常温下更是无法液化，所以氢气要安全储藏和运输并不容易。所以氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了70 Mpa也就是700个大气压的高压储气罐，类似我们常见的“煤气罐”，只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用700个大气压储存，也只能容纳约5公斤的氢气。所以实际上燃料的重量并不大，反而储氢罐特别笨重。

为了在承受700个大气压的前提下仍旧保持行驶安全性，我们可都不希望坐在两个炸弹上面开车吧？所以储氢罐被设计成四层结构，铝合金的罐体内部衬有塑料内胆，外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层，保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减震保护层，并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化，使纤维顺着压力分布的方向，提升保护层的效果。

燃料电池堆栈+镍氢电池混合动力

直接驱动Mirai车轮的电动机功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相当于一辆2.0升自然吸气家轿的动力水平。除了燃料电池堆栈发电之外，Mirai后轴上方布置的1.6千瓦时的镍氢电池组也有着非常重要的作用——动力电池+储能电池。这个电池组基本上跟凯美瑞混动的电池完全一样，在整车负载低的时候可以单独用它供电带动车辆前进，与此同时燃料电池堆栈发出来的电可以给电池充电，用镍氢电池充当一个“缓存”；

当车辆有更大的动力需求的时候，镍氢电池组很快就会耗光，所以这时候燃料电池堆栈就直接向电动机输电，跟镍氢电池组实现双重供电来满足需求；当车辆减速行驶的时候，电动机转化为发电机来回收动能，电量直接输送到镍氢电池组内储存起来。