豐田氫能源汽車技術(shù)將夢想變成現(xiàn)實 顛覆了人類的常識認(rèn)知

我為什么如此關(guān)注豐田的氫能源汽車？是因為去年5月，李總理訪問日本，他在北海道的豐田汽車工廠里，特別參觀了氫能源汽車。李總理在這輛汽車前停留了半個多小時，詳細(xì)聽取了豐田汽車公司總裁豐田章男先生有關(guān)氫能源汽車的性能和前景的說明。

豐田第一代氫能源汽車“MIRAI”（未來）

后來我專門去豐田汽車公司采訪，并試駕了這一輛氫能源汽車，感覺到豐田汽車公司為人類的環(huán)保事業(yè)作出了一個重要的貢獻(xiàn)。這輛被命名為“未來”的氫能源車，目前的年產(chǎn)量為3000輛，需要預(yù)訂1年多才能拿到車。2020年后，年產(chǎn)將會增加到3萬輛。

這輛“未來”號氫能源車目前在中國國內(nèi)還沒有正式銷售，但是在江蘇的常熟市的豐田研發(fā)中心已經(jīng)有一輛，在進(jìn)行適應(yīng)性測試。我只是沒有想到，豐田公司這么快就推出了第二代的氫能源概念汽車。雖然還只是一輛概念車，但是這一輛概念車已經(jīng)融合了豐田目前所開發(fā)的所有的最尖端的技術(shù)。

從這一輛概念車中，我們可以了解到“汽車”作為人類的交通工具這一常識，是如何被豐田公司顛覆。

豐田第二代氫能源汽車FCV PLUS

去年11月，我參加了豐田社長的一次記者會，他在這個記者會上說了一句話，給我很大的啟發(fā)。他說，汽車誕生已經(jīng)一百多年，從一輛時速只有幾公里的交通工具，已經(jīng)發(fā)展到如今時速可以達(dá)到300公里，甚至更高的大眾化生活用品。

那么接下來的100年，汽車應(yīng)該作為一種什么樣的形態(tài)存在于我們的人類社會？這是我們需要認(rèn)真思考的問題。面向未來，我們必須賦予汽車新的內(nèi)涵，這是豐田汽車公司的歷史使命。

聽完豐田社長他的話，當(dāng)時我并沒有感覺到豐田公司有什么大手筆，只是感覺到豐田推出的這輛氫能源汽車，為人類提供了一種取之不盡，又完全零排放的純清潔能源，這是一個偉大的貢獻(xiàn)。

其實，豐田公司早在1992年，就開始研究氫能源，并在2014年推出了第一輛氫能源汽車，開始在北美地區(qū)，以及零下40度的北海道最北端的嚴(yán)寒城市，以及非洲高溫地區(qū)進(jìn)行試驗性運(yùn)營。經(jīng)過不斷的完善，2016年，第一代氫能源汽車正式投放市場。作為一家民營企業(yè)，花費(fèi)20多年的時間，致力于一項環(huán)保新能源汽車的研發(fā)，投入的精力和財力是可想而知的。但是當(dāng)?shù)谝淮鷼淠茉雌囌酵斗攀袌龊?，豐田汽車公司卻宣布，氫能源汽車的專利將完全公開，讓這一項汽車能源的革命性成果讓全世界共享。

我駕駛了這一輛“未來”號氫能源汽車，它好在哪里？

第一，在于它的環(huán)保性。說起來，氫能源汽車的動力原理很簡單，就是車載氫氣與空氣產(chǎn)生反應(yīng)生成動能，而氫氣與氧氣生成的是水（H?O）。也就是說，氫能源汽車排放的不是尾氣，而是一杯水，絕對的“零排放”。

第二，在于它的便捷性。氫能源汽車上有兩個氣罐，只要3分鐘時間，就可以充滿氣，而且可以行使650公里。根據(jù)目前日本氫氣的價格，如果汽車加滿氣的話，它的價格是4600日元，相當(dāng)于280元人民幣，比汽油的價格還便宜。如果氫能源汽車和加氣站得到普及的話，氫氣價格還要便宜。豐田汽車公司的解釋說，汽油的價格將會隨著石油價格的波動而波動。但是氫氣的價格不會波動，而且只會越來越便宜。

第三，在于它的創(chuàng)新性。“未來”號氫能源汽車作為一個移動電源，當(dāng)發(fā)生停電問題時，它的后備箱有個電源連接口，可以將車載的電源連接到家庭電源中，保證一戶家庭一個星期的用電所需。

有些朋友曾經(jīng)留言，擔(dān)心氫氣的氣罐會不會發(fā)生爆炸，氫能源汽車會不會變成一顆氫彈？這種擔(dān)心顯然多余，別的不說，豐田汽車的這一個儲存壓縮氫氣的氣罐，采用了多種特殊新材料制作而成，包括炭纖維材料，并進(jìn)行了2萬多次各種情況下的沖撞實驗，沒有發(fā)生漏氣與破損問題。同時，氣罐的氣口安裝有特殊的反鎖裝置，一旦車內(nèi)的氣體檢測儀檢測到漏氣，氣口會立即遭到反鎖，防止氣體泄漏。

黃色為氫氣氣罐

現(xiàn)在，我們來看看豐田公司推出了第二代氫能源汽車到底具備了哪一些顛覆我們常識的新概念和新技術(shù)？

在解釋第二代氫能源汽車之前，我們先來回顧一下手機(jī)的成長過程。手機(jī)原來只是一個無線通訊工具。但是，現(xiàn)在的手機(jī)不只是一個通訊工具，更是具備了一臺掌上電腦、信息終端機(jī)、小型電視機(jī)、電子貨幣支付工具、智能家電設(shè)備遙控器等功能，所以我們已經(jīng)很難對“手機(jī)”這一名稱作出一個準(zhǔn)確的定義。

同樣，我們來看汽車。如果說，豐田第一代氫能源車只是零排放的環(huán)保車的話，那么，第二代汽車就已經(jīng)演變成了一輛“能源車”！

這個“能源車”是一個什么概念呢？

迄今為止，在我們的印象中，汽車是一個能源消耗品，也就是說，它燒汽油、燒柴油，或者至少需要用電。但是第二代的氫能源汽車，它不再是一個能源的消耗品，而已經(jīng)是一個能源的供應(yīng)者。

為什么汽車會成為能源的供應(yīng)者？豐田汽車公司的構(gòu)想顯示，當(dāng)你駕駛第二代氫新能源汽車下班回家后，汽車停在家門口，就可以通過無線供電系統(tǒng)，用汽車的電力瞬間點亮家里所有的照明，啟動電器設(shè)備。也就是說，家里沒有固定電力也可以。

同時它的后輪胎具備了無線供電的功能，也就是說，兩輛汽車之間可以通過無線輸送的方式，實現(xiàn)相互供電。也可以給馬路上的信號燈供電，以后舉行野外音樂會，有幾臺氫能源汽車，就足夠提供幾萬人狂歡的需要。

這就意味著，氫能源汽車，它已經(jīng)不只是一個交通工具，而已經(jīng)成為分布式電源，一個擁有巨大能量的“移動寶”，它將作為一個移動發(fā)電站，而成為社會基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。這就是豐田汽車公司在迎來新時代時，提出并實踐的一項偉大的汽車革命。

豐田公司提出的第二個概念，就是氫能源合成裝置（豐田稱其為“燃料電池”）可以永久使用，不會像鋰電池汽車那樣，隨著汽車的老化而對環(huán)境構(gòu)成污染。豐田的這一種“燃料電池”因為只是一個氫氣與空氣的合成裝置，因此，在汽車使用若干年之后需要報廢時，這塊“燃料電池”可以取出來，安裝在新的汽車?yán)锸褂?。所以氫能源汽車的這個燃料電池，它不會對人類造成環(huán)境污染，這個技術(shù)與理念要比我們現(xiàn)在的電動汽車的鋰電池要先進(jìn)很多倍。豐田公司把它稱作為“可以為未來發(fā)電”的燃料電池。

氫能源是一個永恒的能源，因為它可以有太陽能、風(fēng)力、電熱等各類一次性自然能源來生產(chǎn)。豐田公司的愿景，就是要推動人類社會進(jìn)入一個完全清潔沒有污染的氫能源時代。

我看了第二代氫能源汽車，得到的另外一個印象是，這一輛車匯聚了豐田公司擁有的所有面向未來的尖端技術(shù)。譬如，汽車會是全自動駕駛汽車，駕駛座會省出許多的空間。汽車上沒有任何的儀表和顯示屏，所有的控制數(shù)據(jù)都顯示在汽車的擋風(fēng)玻璃下端。而這一塊擋風(fēng)玻璃，就像一塊電腦的顯示屏，可以顯示出各種APP圖標(biāo)，你不需要觸摸，而是通過語音識別系統(tǒng)，可以直接用語音進(jìn)行指示操作，譬如接電話、回復(fù)郵件、玩微信等等。

汽車的左右兩個車窗，看上去只是比一般傳統(tǒng)的汽車大一些，與我們現(xiàn)在的車窗沒什么區(qū)別。但是，其實它已經(jīng)是兩個大型的顯示屏，你坐在汽車內(nèi)，可以在車窗上看電視、上網(wǎng)瀏覽新聞，可以寫文章、可以傳輸郵件。這一輛汽車就變成了一間工作室。如果是送一位病人去醫(yī)院，那么病人可以通過車窗上的顯示屏進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷。

日本政府最新的科學(xué)發(fā)展計劃中，已經(jīng)將2030年確定為日本完全進(jìn)入全自動駕駛時代之年。這一個目標(biāo)時間，距離現(xiàn)在只剩下10年。毫無疑問，這是激動人心充滿期待的10年。豐田公司的這第二代氫能源汽車會在什么時候推向市場？

目前豐田公司還沒有宣布，但是，我們可以預(yù)計，第二代氫能源汽車的誕生不會太遠(yuǎn)，因為豐田公司已經(jīng)擁有了概念車中所包含的各項技術(shù)，推出只是一個時間問題。

創(chuàng)新不需要鼓勵，更不需要口號，只需要一種情懷！豐田公司花費(fèi)了20多年的時間，研發(fā)出氫能源汽車，這一輛車的誕生，也就意味著汽車作為“交通工具”的時代即將結(jié)束，豐田公司也將從一家普通的汽車制造商，華麗轉(zhuǎn)身為一個移動信息平臺提供商和新能源供應(yīng)商。

這是一場偉大的變革，很榮幸的是，我們作為見證人，將見證這一場變革，并使自己成為其中的參與者和受益者。

我們再來回顧一下豐田一代氫能源汽車——Mirai

“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。

那么這一切都是如何實現(xiàn)的呢？

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(jī)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(fèi)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(dá)95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現(xiàn)了豪言。這是首次投放市場的量產(chǎn)燃料電池車。

豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)注釋

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(jī)，也沒有變速器，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部是電動機(jī)和電動機(jī)的控制單元。

豐田Mirai結(jié)構(gòu)圖

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(rèn)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。

豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)布置圖

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。

燃料電池堆棧外部細(xì)節(jié)及主要參數(shù)

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(fù)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(yùn)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的燃料電池創(chuàng)新

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(tuán)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(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。

Mirai燃料電池堆棧技術(shù)迭代

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(yùn)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700Mpa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。

氫氣儲存性能

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(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。

相比純電動車而言，目前充電最快的特斯拉Model S的超級充電站也需要1.25小時才能充滿電量。氫氣加注的速度則更快，僅需3分鐘即可充滿兩個儲氫罐，并且超過600公里的續(xù)航里程甚至比普通汽油車更優(yōu)越。

雖然現(xiàn)在加氫站還是極度罕見，但是普通加油站改造成加氫站的成本要遠(yuǎn)低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預(yù)計，如果燃料電池車能在成本控制上取得突破，實際上市場空間會比純電動車更大。

結(jié)語

當(dāng)看到豐田汽車在氫燃料電池技術(shù)上的執(zhí)著時，主管部門需要來一次魯茲式的反思——大規(guī)模的新能源補(bǔ)貼，換來了什么？

在快速增長的純電動或插電式混合動力汽車市場中，我們掌握了什么核心技術(shù)？

如果萬金補(bǔ)貼換來的只是一場裸泳，我們怎么辦？

如果未來氫燃料電池技術(shù)真正普及時，我們再度被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面，怎么辦？

車企們更需要反思，你們是為了補(bǔ)貼而設(shè)計產(chǎn)品，還是為了“美好城市和美好社會” 的終極目標(biāo)而設(shè)計產(chǎn)品？