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丰田第二代氢能源汽车颠覆了人类哪些常识

2019-05-14 15:37:00

去年5月，李总理访问日本，他在北海道的丰田汽车工厂里，特别参观了氢能源汽车。李总理在这辆汽车前停留了半个多小时，详细听取了丰田汽车公司总裁丰田章男先生有关氢能源汽车的性能和前景的说明。

丰田第一代氢能源汽车“MIRAI”（未来）

后来我专门去丰田汽车公司采访，并试驾了这一辆氢能源汽车，感觉到丰田汽车公司为人类的环保事业作出了一个重要的贡献。这辆被命名为“未来”的氢能源车，目前的年产量为3000辆，需要预订1年多才能拿到车。2020年后，年产将会增加到3万辆。

这辆“未来”号氢能源车目前在中国国内还没有正式销售，但是在江苏的常熟市的丰田研发中心已经有一辆，在进行适应性测试。我只是没有想到，丰田公司这么快就推出了第二代的氢能源概念汽车。虽然还只是一辆概念车，但是这一辆概念车已经融合了丰田目前所开发的所有的最尖端的技术。

从这一辆概念车中，我们可以了解到“汽车”作为人类的交通工具这一常识，是如何被丰田公司颠覆。

丰田第二代氢能源汽车FCV PLUS

去年11月，我参加了丰田社长的一次记者会，他在这个记者会上说了一句话，给我很大的启发。他说，汽车诞生已经一百多年，从一辆时速只有几公里的交通工具，已经发展到如今时速可以达到300公里，甚至更高的大众化生活用品。

那么接下来的100年，汽车应该作为一种什么样的形态存在于我们的人类社会？这是我们需要认真思考的问题。面向未来，我们必须赋予汽车新的内涵，这是丰田汽车公司的历史使命。

听完丰田社长他的话，当时我并没有感觉到丰田公司有什么大手笔，只是感觉到丰田推出的这辆氢能源汽车，为人类提供了一种取之不尽，又完全零排放的纯清洁能源，这是一个伟大的贡献。

其实，丰田公司早在1992年，就开始研究氢能源，并在2014年推出了第一辆氢能源汽车，开始在北美地区，以及零下40度的北海道最北端的严寒城市，以及非洲高温地区进行试验性运营。经过不断的完善，2016年，第一代氢能源汽车正式投放市场。作为一家民营企业，花费20多年的时间，致力于一项环保新能源汽车的研发，投入的精力和财力是可想而知的。但是当第一代氢能源汽车正式投放市场后，丰田汽车公司却宣布，氢能源汽车的专利将完全公开，让这一项汽车能源的革命性成果让全世界共享。

我驾驶了这一辆“未来”号氢能源汽车，它好在哪里？

第一，在于它的环保性。说起来，氢能源汽车的动力原理很简单，就是车载氢气与空气产生反应生成动能，而氢气与氧气生成的是水（H₂O）。也就是说，氢能源汽车排放的不是尾气，而是一杯水，绝对的“零排放”。

第二，在于它的便捷性。氢能源汽车上有两个气罐，只要3分钟时间，就可以充满气，而且可以行使650公里。根据目前日本氢气的价格，如果汽车加满气的话，它的价格是4600日元，相当于280元人民币，比汽油的价格还便宜。如果氢能源汽车和加气站得到普及的话，氢气价格还要便宜。丰田汽车公司的解释说，汽油的价格将会随着石油价格的波动而波动。但是氢气的价格不会波动，而且只会越来越便宜。

第三，在于它的创新性。“未来”号氢能源汽车作为一个移动电源，当发生停电问题时，它的后备箱有个电源连接口，可以将车载的电源连接到家庭电源中，保证一户家庭一个星期的用电所需。

有些朋友曾经留言，担心氢气的气罐会不会发生爆炸，氢能源汽车会不会变成一颗氢弹？这种担心显然多余，别的不说，丰田汽车的这一个储存压缩氢气的气罐，采用了多种特殊新材料制作而成，包括炭纤维材料，并进行了2万多次各种情况下的冲撞实验，没有发生漏气与破损问题。同时，气罐的气口安装有特殊的反锁装置，一旦车内的气体检测仪检测到漏气，气口会立即遭到反锁，防止气体泄漏。

黄色为氢气气罐

现在，我们来看看丰田公司推出了第二代氢能源汽车到底具备了哪一些颠覆我们常识的新概念和新技术？

在解释第二代氢能源汽车之前，我们先来回顾一下手机的成长过程。手机原来只是一个无线通讯工具。但是，现在的手机不只是一个通讯工具，更是具备了一台掌上电脑、信息终端机、小型电视机、电子货币支付工具、智能家电设备遥控器等功能，所以我们已经很难对“手机”这一名称作出一个准确的定义。

同样，我们来看汽车。如果说，丰田第一代氢能源车只是零排放的环保车的话，那么，第二代汽车就已经演变成了一辆“能源车”！

这个“能源车”是一个什么概念呢？

迄今为止，在我们的印象中，汽车是一个能源消耗品，也就是说，它烧汽油、烧柴油，或者至少需要用电。但是第二代的氢能源汽车，它不再是一个能源的消耗品，而已经是一个能源的供应者。

为什么汽车会成为能源的供应者？丰田汽车公司的构想显示，当你驾驶第二代氢新能源汽车下班回家后，汽车停在家门口，就可以通过无线供电系统，用汽车的电力瞬间点亮家里所有的照明，启动电器设备。也就是说，家里没有固定电力也可以。

同时它的后轮胎具备了无线供电的功能，也就是说，两辆汽车之间可以通过无线输送的方式，实现相互供电。也可以给马路上的信号灯供电，以后举行野外音乐会，有几台氢能源汽车，就足够提供几万人狂欢的需要。

这就意味着，氢能源汽车，它已经不只是一个交通工具，而已经成为分布式电源，一个拥有巨大能量的“移动宝”，它将作为一个移动发电站，而成为社会基础设施的一部分。这就是丰田汽车公司在迎来新时代时，提出并实践的一项伟大的汽车革命。

丰田公司提出的第二个概念，就是氢能源合成装置（丰田称其为“燃料电池”）可以永久使用，不会像锂电池汽车那样，随着汽车的老化而对环境构成污染。丰田的这一种“燃料电池”因为只是一个氢气与空气的合成装置，因此，在汽车使用若干年之后需要报废时，这块“燃料电池”可以取出来，安装在新的汽车里使用。所以氢能源汽车的这个燃料电池，它不会对人类造成环境污染，这个技术与理念要比我们现在的电动汽车的锂电池要先进很多倍。丰田公司把它称作为“可以为未来发电”的燃料电池。

氢能源是一个永恒的能源，因为它可以有太阳能、风力、电热等各类一次性自然能源来生产。丰田公司的愿景，就是要推动人类社会进入一个完全清洁没有污染的氢能源时代。

我看了第二代氢能源汽车，得到的另外一个印象是，这一辆车汇聚了丰田公司拥有的所有面向未来的尖端技术。譬如，汽车会是全自动驾驶汽车，驾驶座会省出许多的空间。汽车上没有任何的仪表和显示屏，所有的控制数据都显示在汽车的挡风玻璃下端。而这一块挡风玻璃，就像一块电脑的显示屏，可以显示出各种APP图标，你不需要触摸，而是通过语音识别系统，可以直接用语音进行指示操作，譬如接电话、回复邮件、玩微信等等。

汽车的左右两个车窗，看上去只是比一般传统的汽车大一些，与我们现在的车窗没什么区别。但是，其实它已经是两个大型的显示屏，你坐在汽车内，可以在车窗上看电视、上网浏览新闻，可以写文章、可以传输邮件。这一辆汽车就变成了一间工作室。如果是送一位病人去医院，那么病人可以通过车窗上的显示屏进行远程医疗诊断。

日本政府最新的科学发展计划中，已经将2030年确定为日本完全进入全自动驾驶时代之年。这一个目标时间，距离现在只剩下10年。毫无疑问，这是激动人心充满期待的10年。丰田公司的这第二代氢能源汽车会在什么时候推向市场？

目前丰田公司还没有宣布，但是，我们可以预计，第二代氢能源汽车的诞生不会太远，因为丰田公司已经拥有了概念车中所包含的各项技术，推出只是一个时间问题。

创新不需要鼓励，更不需要口号，只需要一种情怀！丰田公司花费了20多年的时间，研发出氢能源汽车，这一辆车的诞生，也就意味着汽车作为“交通工具”的时代即将结束，丰田公司也将从一家普通的汽车制造商，华丽转身为一个移动信息平台提供商和新能源供应商。

这是一场伟大的变革，很荣幸的是，我们作为见证人，将见证这一场变革，并使自己成为其中的参与者和受益者。

我们再来回顾一下丰田一代氢能源汽车——Mirai

“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。那么这一切都是如何实现的呢？

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。

丰田Mirai核心结构注释

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。

丰田Mirai结构图

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。

丰田Mirai核心结构布置图

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。

燃料电池堆栈外部细节及主要参数

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的燃料电池创新

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。

Mirai燃料电池堆栈技术迭代

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700Mpa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。

氢气储存性能

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。

相比纯电动车而言，目前充电最快的特斯拉Model S的超级充电站也需要1.25小时才能充满电量。氢气加注的速度则更快，仅需3分钟即可充满两个储氢罐，并且超过600公里的续航里程甚至比普通汽油车更优越。

虽然现在加氢站还是极度罕见，但是普通加油站改造成加氢站的成本要远低于改造成快速充电站的成本。因此我们可以预计，如果燃料电池车能在成本控制上取得突破，实际上市场空间会比纯电动车更大。

结语

当看到丰田汽车在氢燃料电池技术上的执着时，主管部门需要来一次鲁兹式的反思——大规模的新能源补贴，换来了什么？

在快速增长的纯电动或插电式混合动力汽车市场中，我们掌握了什么核心技术？

如果万金补贴换来的只是一场裸泳，我们怎么办？

如果未来氢燃料电池技术真正普及时，我们再度被远远抛在后面，怎么办？

车企们更需要反思，你们是为了补贴而设计产品，还是为了“美好城市和美好社会” 的终极目标而设计产品？

常识能源丰田北海道