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“Mirai”是豐田首款量產的氫燃料電池車。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的呢？
Mirai的工作原理，通過電解水制氫，再把氫氣加入車內發(fā)生化學反應驅動電機為車提供動力。
技術將夢想變成現實
“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家研究了數十年的技術，始終沒有取得重大的技術突破，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。
而在四年以前，豐田就已放出豪言說已經在燃料電池領域取得了技術突破，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兌現了豪言。這是首次投放市場的量產燃料電池車。
宇宙黑科技的由來
豐田Mirai的結構與傳統(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構，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會有著一點點相似的結構吧。
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)動機艙內部是電動機和電動機的控制單元。
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。
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反應過程中的電荷轉移來形成電流的，這一過程最關鍵的技術就是利用特殊的“電解質薄膜”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……電解質薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。
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子通過，氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。
電解質薄膜兩側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合成為純水，是反應的廢物。
所以本質來講，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的燃料電池技術，結構基本類似。
豐田的燃料電池堆棧經歷了十幾年的技術優(yōu)化，形成了自己的特色結構，比如3D立體微流道技術，通過更好地排出副產物水，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，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。
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？
所以儲氫罐被設計成四層結構，鋁合金的罐體內部襯有塑料內膽，外面包裹一層碳纖維強化塑料的保護層，保護層外側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，跟鎳氫電池組實現雙重供電來滿足需求；當車輛減速行駛的時候，電動機轉化為發(fā)電機來回收動能，電量直接輸送到鎳氫電池組內儲存起來。
小結：
縱觀氫燃料電池整個運行過程中，除了消耗氫氣和空氣之外，沒有其他的能源消耗，沒有加油也沒有充電。
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低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預計，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。
加一次油能跑1000公里，豐田的技術還領先中國幾十年？
李總理當地時間5月11日上午在日本首相安倍晉三陪同下，來到位于苫小牧市的豐田汽車北海道廠區(qū)參觀考察。
據媒體報道，豐田汽車特意將“最尖端”的汽車技術運到這一零部件廠展示給李總理，主要報道的技術有三個：多功能出行平臺、自動駕駛、氫燃料電池車。網上同時還有一些說法，指豐田還擁有固態(tài)電池技術的純電動車，以及加滿油續(xù)航里程可達1000公里的汽車等。
在此我們不僅需要對豐田的尖端技術作一些評價，也需要澄清一些問題。
毫無疑問，經過了四十年改革開放，國內科技水平有了飛速進步，現在中國領導人去日本所看到的技術差距，與幾十年前鄧小平參觀日本時的技術差距遠遠不可同日而語。
客觀來說，日本豐田不僅在汽車技術領域依然保持世界領先，在生產制造上也有很多管理經驗為世界制造業(yè)所模仿。
例如為全球業(yè)界稱道的精益生產（Lean Production）、準時制生產（Just in time，也叫零庫存生產）等就是豐田公司創(chuàng)造的，甚至在生產管理上形成“豐田生產方式”的概念。但是，隨著中國生產企業(yè)的大量崛起并向豐田等先進公司持續(xù)學習，現在中日之間的技術差距已經顯著縮小了。01
氫燃料電池車：豐田領先世界
首先來看多功能出行平臺，這個事實上并不能算什么新的技術，而是一種應用創(chuàng)新，是把共享乘車、商品零售、貨物運送等多種功能集成在一輛車上，這點毋庸多談。自動駕駛技術，包括美國和中國在內的很多公司也都在做，而且中國公司起步并不晚，技術水平可以說與國外相差不大。我個人始終認為對“自動駕駛”這個概念需要仔細地進行區(qū)分，不要去搞漫無邊際的自動駕駛。
要首先對技術載體進行嚴格的限定，例如地鐵進行自動駕駛相對就比較容易實現；然后是有限定條件的自動駕駛，現階段就想“一步到位”、實現在任意復雜城市路面上的無人駕駛，搞不好會成為又一個“第五代計算機”計劃（注：日本在20世紀80年代初提出，最后失敗的科技發(fā)展計劃）。值得重視的是豐田的氫燃料電池車，豐田的確是這一領域的世界領導者。業(yè)界普遍認為氫燃料電池車是終級的理想汽車技術，一方面原因是它在行駛過程中排放出的只是水，另一方面是氫氣是各種氣體中密度最小的，而燃料電池的氧化劑則是取自空氣中的氧氣（對比之下鋰電池氫化劑則存在于電池本身），可以說是隨時補給、取之不盡。
事實上，一切燃料電池都具有類似的從空氣中獲取氧氣作氧化劑從而減輕重量的優(yōu)點，例如各種金屬空氣電池等。
傳統(tǒng)的燃油車能量密度較高，從而續(xù)航里程較長，事實上也是利用了這一點。所以，氫燃料電池的比能量密度在理論上是比較高的，每公斤氫氣的比能量密度可達約17千瓦時，這是現在鋰電池（以三元鋰電池來計算）的85倍左右。在實際應用中，因為儲氫罐等需要占一定重量，因此實際比能量密度會大幅度降低。
總體上說現在整個儲氫系統(tǒng)效率在5%，也就是整個儲氫系統(tǒng)的總重量100公斤，實際儲存的氫氣是5公斤左右。這會使儲氫系統(tǒng)的能量密度比理論上降低到20分之1。
但就算這樣，一次加氫5公斤，其儲存的能量也可使氫燃料電池車續(xù)航里程達到600公里以上，與傳統(tǒng)燃油車大致持平。
2018款的豐田Mirai（日文“未來”之意）一次加滿5公斤氫氣的續(xù)航里程可以達到700公里。加氫過程在時間上與燃油車也差不多，每公里燃料使用成本大約為0.5元人民幣，比燃油車略高一些。
所以，如果從使用習慣和使用成本上說，氫燃料電池車與現在的燃油車很接近，接下來想要實現商業(yè)化普及，最關鍵的是要大量投資新建加氫站網絡。
豐田Mirai
當然，自然界并不存在廣泛可獲取的氫，而需要通過消耗一定能量生產制取。所以對“氫能”這個說法是需要謹慎理解的。在現實能源產業(yè)中，氫只是一種能量轉換的載體，而不是天然可開采的能源。
生產氫的途徑很廣泛，且歷史很久，已經算是一個傳統(tǒng)產業(yè)了。以甲烷、甲醇、乙醇等很多化工原料為基礎都可以制氫，通過電解法也可以直接用水來制氫。
業(yè)界期待的最理想境界是直接用簡單的方法以太陽能或風能等為能源，通過電解水逆反應，從水中生產氫，這樣全流程就非常環(huán)保了。氫燃料電池車的核心是氫燃料電池系統(tǒng)，這里面有兩個關鍵性的技術。一是氫燃料電池，二是氫的儲存。在這兩個方面，豐田公司的技術的確都是世界最領先的。氫燃料電池最核心的是催化反應部分，它將自帶的氫氣與取自空氣中的氧氣經過電化學反應產生電。
催化反應需要用到極為昂貴的金屬鉑，這種金屬每年全球產量只有200噸多一點，比黃金還要稀少得多。
要降低燃料電池的成本，從技術上說關鍵是要盡可能減少鉑的使用量，或者有替代鉑的方案。
豐田公司能做到將一輛氫燃料電池車的鉑需求量進一步減少。業(yè)界也在積極尋求不用鉑的催化技術，如果能實現就解決了燃料電池汽車制造成本上的一個最大的技術難題。儲存氫氣也是一個很難的技術，因為氫分子實在是太小了，如果用一般的鋼瓶儲存，氫氣分子都會鉆到鋼材的縫隙中去，產生叫“氫脆”的問題，使鋼瓶的強度下降。
因此，需要將氫氣以700個大氣壓儲存在復合材料制作的特殊氫氣罐里。毫無疑問，其品質對安全保證是很關鍵的。
不過，氫氣儲存在安全性上也有它的優(yōu)點，即使它發(fā)生泄露，由于氫氣比空氣輕，它會迅速向上漂，而不象汽油泄露那樣流得到處都是。汽車里泄露的汽油一旦著火，極大概率是會迅速把整個汽車燒毀。
所以從理論上說氫燃料電池車至少比燃油車更為安全。豐田公司的氫氣罐可以做到用世界上最強武器之一——美軍海軍陸戰(zhàn)隊使用的M82A3式狙擊步槍都打不穿的地步。由此看來，氫燃料電池車能否大規(guī)模普及，關鍵點還是在催化劑上能否有大的突破。此外，氫燃料電池因為其較高的比能量密度，不僅在新能源車上有應用，而且在無人機等其他領域也有較廣泛的應用價值。02
固態(tài)電池技術：日本有生產工藝優(yōu)勢
對于電池行業(yè)來說，固態(tài)電池并不是一個陌生概念。早在2012年蘋果公司就已經開始了全固態(tài)電池技術的專利布局，隨后包括豐田在內的一些知名廠商也在這個領域有所投入。
純電動車的成本主要體現在電池上。為了使普通讀者更容易理解，我把電動汽車鋰電池技術大致分成四個大的時代：
第一代是磷酸鐵鋰電池，能量密度在100 Wh/kg（每公斤瓦時）左右。
第二代是三元鋰電池，200 Wh/kg左右。
第三代是固體電解質鋰電池，現在業(yè)界叫“固態(tài)電池”，300 Wh/kg左右。
第四代是鋰硫電池等，400 Wh/kg左右。
當然，每一代的技術并非完全單一，而是會有很多不同變化。甚至就是三元鋰電池本身就有很多種。但以上大致的分代可以使我們對純電動車未來的發(fā)展趨勢有一個直觀的了解。特斯拉一開始就采用的是第二代的三元鋰電池中的鎳鈷鋁技術，中國2017年純電動車普遍采用鎳鈷錳三元鋰電池。固態(tài)電池，事實上是指第三代的固體電解質鋰電池。中國在固體電解液電池上也有技術積累，而且在第四代的技術上也有很多單位在開發(fā)。只是在具體電池生產工藝上，日本和韓國的三星、LG等還是有長期技術優(yōu)勢的。一般來說，電池的能量密度越高，每千瓦時的存儲成本就越低。對續(xù)航里程問題，不同汽車的用戶體驗可能會有些不同。我個人認為純電動車的續(xù)航里程會經歷這么一個變化過程：
最初因為電池太貴，因此續(xù)航里程很短，只有120公里；
隨著電池成本持續(xù)地大幅度降低，續(xù)航里程不斷增長；
由于充電設施還不是很普及，充電不是很方便，用戶對續(xù)航里程需求還會在一定時間持續(xù)增長，現在400公里甚至更長續(xù)航里程的純電動車款已經很多了；
未來充電設施越來越普及，充電越來越方便，到處都可以充電，再加上各種電動車充電寶產品流行，用戶并不需要買很長續(xù)航里程的電動車，購買電動車的成本又極大降低。
固態(tài)電池的安全性比液態(tài)鋰電池高很多，而且續(xù)航里程很長。固態(tài)電池普及后，純電動車的成本可達到與現在燃油車接近的程度。不過，這項技術開發(fā)有難度，目前這方面研究最深的就是豐田汽車，但也一直沒有實現商業(yè)化量產。于是，日本政府決定和企業(yè)聯(lián)起手來加快固態(tài)電池的研發(fā)。據報道，日本經濟產業(yè)省將向“鋰電池材料評價研究中心（LIBTEC）”出資16億日元，這家研究中心是由旭化成、東麗和Kuraray等化工企業(yè)成立的，現在豐田、日產和本田三大車企和松下、GSYUASA等電池企業(yè)也將加入其中。除了加快技術研發(fā)，日本經濟產業(yè)省還計劃向國際電工委員會（IEC）提出申請來推動固態(tài)電池國際標準的制定，這樣就能從一開始掌握更多話語權，從而在電動汽車的電池領域獲得領先地位。03
加一次油跑1000公里：
汽車公司很快都能做到
目前新能源車主要是三個方案：最早出現的混合動力、純電動、氫燃料電池。豐田公司在混合動力和燃料電池兩個技術上都處于世界領先水平。
那么有傳言說豐田開發(fā)出加一次油可以跑1000公里的車，這是真的嗎？
其實，不僅豐田能做到，很快幾乎每家汽車公司都能做到了。
因為現在開發(fā)燃油車的公司也都在向混合動力方向發(fā)展。這種混合動力是用燃油發(fā)動機發(fā)電，用電機驅動。其顯著好處包括：
一是燃油發(fā)動機可以穩(wěn)定地工作，在最佳效率狀態(tài)發(fā)電；
二是不用齒輪箱了；
三是利用了電機驅動的好處，在各種轉速下扭矩大致是均衡的；
四是電驅動可以進行能量回收。
電機驅動可以使百公里耗油顯著降低。如果只是用燃油發(fā)動機本身改進，效率幾乎不太可能降到百公里油耗5升以下。
但采用混動的方案，可以比較容易做到百公里耗油4升左右甚至更低，在城市復雜工況下做到這種省油的水平也是可以的。這樣，原來加滿油40-50升只能跑400-600公里的車，現在就都可以跑上千公里了。如果是插電增程式混動，電池本身有50到100公里左右的續(xù)航里程，可以采用充電方式在城市內跑，跑長途用燃油增程，相當于內置充電寶。
豐田是混合動力車的先驅，2017年豐田新能源車全球銷量達到152萬輛，主要就是靠混合動力技術實現的，并且在混合動力技術上已經有20年的積累，至2017年，豐田以混合動力車為主的新能源車全球累積銷量達到1147萬輛。
大多數人認為混合動力是一個過渡方案，問題是這個過渡時間會有多長。這取決于純電動和燃料電池車的發(fā)展情況。前兩年混合動力車在中國新能源車銷量中的比例呈下降狀態(tài)，但2017年至今混合動力車占比又快速上升。
混合動力車和氫燃料電池車在續(xù)航里程上都有優(yōu)勢，混合動力車又可直接利用原來燃油車普遍存在的加油網絡系統(tǒng)，因此對續(xù)航里程有較高要求的用戶現在還是會青睞前者。
