[汽車之家 技術]  近些年，中國品牌在技術研發(fā)上的投入正在快速增加 ，但與那些能夠踏出國門，甚至是所在大洲，站在全球舞臺上的海外車企相比，我們的實力還不在一個量級上。尤其是在新能源車型的研發(fā)中，歐洲、美國、日本車企在上世紀末已開始進行了相關研發(fā)，而今天我們的車企在這方面的積累屈指可數。所以，為了掌握燃料電池技術最先進的狀態(tài)，汽車之家選擇了走出去實地調查。

引言：

　　21年前，豐田推出了混動技術的首款量產車普銳斯，盡管當時成本頗高，但抱著布局未來的決心，他們決定咬牙堅持。時至今日，超過1200萬臺的銷量證明了當時的“賭博”是正確的。今天，Mirai的處境與當年頗為類似，或者說由于需要布局全新的基礎設施，因此面臨挑戰(zhàn)更大。相比純電動車更短的充能時間，與內燃機車一樣的續(xù)航里程，同時更加環(huán)保，這些優(yōu)點加持下它或許才是未來真正的發(fā)展趨勢。

　　今天這個時間節(jié)點有些類似一百多年前內燃機車代替馬車的時代，我們怎能錯過近距離觀察的好機會？所以我們選擇了前往日本，這次我們將從源頭的技術路線選擇，看到消費者購買車型、使用、保養(yǎng)環(huán)節(jié)，為您展現一個燃料電池產品全方位的狀態(tài)。作為開篇文章，本期我們從根源聊起，看看為什么日本會孤注一擲的選擇氫燃料電池。在最后的文章中，我們將逐一揭秘在買、用、養(yǎng)等環(huán)節(jié)中，燃料電池推廣現狀。最終，我們再來探討下這項技術是否適合在我國盡快推行，以及將碰到那些阻礙。

■ 來源與身世

　　氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）是將氫氣和氧氣蘊含的化學能經過電化學反應直接轉換為電能的發(fā)電裝置，它工作反應時的產物僅有水，符合環(huán)保發(fā)展需求。同時燃料加注時間和傳統(tǒng)燃油車一樣，這就規(guī)避了純電動車充電時間長的缺點。另外加注燃料后，車輛續(xù)航里程與傳統(tǒng)燃油車別無二致，令使用者不再有里程焦慮。此前我們已經進行過詳細的解讀，對它還比較陌生的朋友可以點擊《新紀元的到來 聊聊燃料電池汽車那些事》閱讀。

　　這里說句題外話，石油危機的爆發(fā)當然不僅推動了燃料電池民用化發(fā)展，其對于整個汽車工業(yè)走向都產生了深遠影響。此前低廉的油價令大排量自然吸氣發(fā)動機在很長的一段時間里都是技術發(fā)展的主流趨勢，因此孕育而生了美式汽車文化。當油價迅速飆升，甚至后期發(fā)展為有價無市后，小排量發(fā)動機以及節(jié)油技術快速成為了技術發(fā)展的新方向。這樣的發(fā)展趨勢促進了在節(jié)油、低排放等技術領域具有明顯優(yōu)勢的日系車企進入美國市場，當然這是后話了。

　　當然，燃料電池技術并非完全沒有缺點，而原因眾說紛紜。能源并不清潔、基礎設施少、使用費用高，這些問題到底是真是假？現階段普通民眾真的難以承受？對著屏幕用鍵盤深評問道肯定得不到真正的答案，因此科技決定前往日本，用我們的雙眼看看目前世界上量產推廣程度最高的日本到底處于何種狀態(tài)。當然，我們更想知道我國能否推廣普及，以及問題或阻礙出在哪里？從日本身上我們能學到什么。

■ 倔強的孤注一擲？

　　縱觀歷史，對新鮮事物抱有極大興趣的除了所謂的冒險精神，便是渴望通過新技術改變自身狀態(tài)的群體。日本由于其特殊的地理特點，因此一直以來對節(jié)能、減排或者說對具有長久發(fā)展?jié)摿Φ氖挛锉в袧夂竦呐d趣。

　　為滿足巨大的需求量，1972年起，大阪煤氣、關西電力、東京電力等公司于1972年起與文萊等國簽訂了為期40年的天然氣進口協議，以鞏固天然氣供給網絡。截止2012年，日本對天然氣的需求已占全球總需求量的37%，從日本能源需求分布上看，石油占52%、煤炭與核電占15%、天然氣占4%、其他可再生資源占1.3%。

　　巨大的需求量并不意味著核能、天然氣就是日本政府心中理想的替代能源。重要問題之一就是各類技術標準、專利不掌握在日本廠商手中。與之相對的，氫能的技術積淀更深，專利更多。氫正是燃料電池的“燃料”之一，值得注意的是日本大力推動燃料電池和氫能源戰(zhàn)略的初衷和前提是大力發(fā)展核電。

　　日本對燃料電池產生興趣是在上個世紀90年代，小泉純一郎就任內閣總理大臣的第二年，也就是2002年，日本核戰(zhàn)略進入了快速推廣期。4年后的2006年，日本國家能源新戰(zhàn)略及核能立國計劃大綱中明確表示，要把核能發(fā)電提高到占總發(fā)電量的30%-40%。

　　推廣核能僅僅是其中一部分，核能可以產生大量且廉價的電能，再利用電能分解法制備氫氣，最終為燃料電池所需要的氫能源才是整個計劃中的重頭戲。如果計劃推行成功，將一舉改變日本能源現狀。此前，日本94%的能源消費依靠進口，能源自給率僅為6%左右，不過這一切確實因為核泄漏事故的影響發(fā)生了些許改變。

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■ 新能源不能來自老污染

　　當然，燃料電池產品雖然有著眾多優(yōu)點，卻也因為技術原因有著自己的問題。其中最重要，也是被挑戰(zhàn)最多的便是能量之一的氫氣制取。如果仍舊通過火力發(fā)電,隨后電解水得到氫氣，那么純電動車被質疑的污染問題也會困擾著它。在這個問題上，日本已經找到了一些解決方案。

　　近年來，世界主流的車用燃料電池產品均為氫燃料電池，但自然界中單質氫氣存在相當少見，因此制氫就成為使用整個產業(yè)鏈的源頭問題。目前，氫氣在很多行業(yè)以一種副產品的形式存在，這些行業(yè)主要集中在制堿和冶煉等高溫工業(yè)領域。

　　由于氫氣并不是最終的生產目標，所以導致副生氫氣在規(guī)模、成本和品質方面有一定的差距。因此，在核能發(fā)電計劃受影響后，日本嘗試探索化石燃料反應、電解水、生物制氫、太陽能、風能等多種形式制氫。

- 變廢為寶：化石燃料反應

　　從供給數量上看，目前絕大多數氫氣來自天然氣和石油燃料反應。在這之中依靠天然氣和水，即甲烷和水經過高溫產生一氧化碳和氫氣的方式是其中最主流的方法。這種制備方法除了可以取得數量較大且純度較高的氫氣外，同時還具備加工成本相對較低以及排放溫室氣體較少的優(yōu)點。

　　另外，從2017年開始，日本嘗試從海外進口廉價氫氣。其中川崎重工業(yè)株式會社（Kawasaki Heavy Industries）已在澳大利亞設立工廠，在當地他們使用廉價褐煤生產氫氣。

- 初中物理解決問題：電解水

　　電解水制氫是目前工業(yè)制備高純度氫氣的主要方法，目前分為電解鹽水和電解純水兩種方式。成本方面，電解純水相對電解鹽水更高。副產品方面，電解純水的產物只有氧氣和氫氣。而電解鹽水除了可以獲得氫氣外，還可以得到苛性堿、氯氣等。

　　電解水與電解鹽水兩者制備氫氣的純度都相對較高，可以達到99.99%，也就是說都能滿足燃料電池使用需求，不過鹽水電解要更具規(guī)模更容易形成產業(yè)化，且在生產速度和能耗上比電解水更高。

- 便便拯救世界：生物制氫

　　前面提到的幾種方法是目前工業(yè)中已經成熟應用的，下面說到的生物制氫處于探索階段。其中有使用農作物、木材等碳水化合物材料制氫的方法，豐田還嘗試在美國用動物排泄物制取。是的，你沒聽錯，未來拯救世界的或許就是你不想在吃飯時面對的便便了。 

　　除此以外，目前在試驗純細菌和細胞固定化技術產氫，利用生物學發(fā)現的產氫菌種進行生物制氫相比之前的工業(yè)制取方法更加環(huán)保。另外，部分藻類植物生長過程同樣會生產出可供使用的氫能源，但目前技術局限于產量以及收集難度。待混合培養(yǎng)技術和新生物技術應用更成熟后，生物制氫技術潛力會被進一步釋放。

- 完全零污染：風能與太陽能

　　無論是化石燃料加工，還是電解水以及最新鮮的牛糞提取，中間免不了加溫、加壓等過程，即使經過處理，仍舊會排放一定污染物，同時消耗部分能源。為了無限接近最初設定的可循環(huán)、零排放目標，豐田也在嘗試將風能、太陽能添加至氫氣制取過程。

　　風能在制氫過程中扮演的角色是提供電力來源，最終制取過程還是依靠傳統(tǒng)電解水。與使用核能發(fā)電相比，風能更純凈，且安全系數更高，這也是豐田選擇它的重要原因。

　　當然，風能也有其局限性，其中之一便是受天氣因素影響較大，風速過小或過大時，風力發(fā)電機都無法工作。因此，這個需要蓄電池組緩沖、消除由于風力發(fā)電機工作斷續(xù)帶來的供電波動，保證水電解制氫裝置可以得到持續(xù)的供電。

　　除了風能，純凈的可再生資源中太陽能也可以用于制氫，和風能一樣，太陽能也主要為電解水制氫過程提供電能來源。

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后續(xù)預告：

　　明白了日本為何如此堅決的推廣燃料電池后，我們將聚焦細節(jié)產品。畢竟對于廣大消費者而言，產品本身才是他們決定購買與否的因素。購買價格如何？是否享受補貼？怎么買最劃算，以及諸如如何保證安全性等等問題我們將一一揭曉答案。

小結：

　　與純電動產品相比，燃料電池產品規(guī)避了前者充電時間過長、續(xù)航短的缺點，當然新技術在發(fā)展階段，或多或少面臨著成本高昂、基礎設施建設的弊端。即便如此，對于能源短缺的日本而言，未來穩(wěn)定的能源供給模式使他們推廣態(tài)度最為積極。在下面幾期文章中，我們將逐步展現其在不同環(huán)節(jié)中，如何解決成本高昂、基礎設施建設不足的問題。（文/圖 汽車之家 唐朝）

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　　[汽車之家 技術]  在上一期的文章中，我們仔細的分析了日本為何在燃料電池技術成本居高不下的情況下，仍舊選擇推廣這項技術。在這期中，我們將視線聚焦到產品環(huán)節(jié)。從購買、使用環(huán)節(jié)看看目前豐田Mirai，這款目前量產銷量最高的燃料電池車在實際使用中碰到的問題。看看網傳的購買價格高昂，使用不便，到底是真是假。

■ 購買環(huán)節(jié)

● 一般店中買不到？

　　豐田在日本針對不同消費者制定了有差異化的銷售渠道，不同渠道間負責銷售不同的車型，從而既避免了渠道間的相互競爭，又能滿足不同消費群體的需求。具體而言，在日本共有TOYOTA、TOYOPET、COROLLA、NETZ四種渠道，其中普通消費者可以在TOYOTA、TOYOPET中購買到Mirai。

● 七百萬日元的抉擇

　　1997年豐田推出第一代混動車型普銳斯時，它在日本本土的售價達到了215萬日元，作為對比，同時期尺寸、級別相差不多，代號AE110的Corolla（卡羅拉）1.5 SE Saloon售價僅152.7萬日元。換言之，搭載新技術的車型其售價遠比成熟車款高昂的多，這樣的問題在Mirai身上同樣存在。通過官網，不難發(fā)現這一特點。

● 有無補貼？怎么補貼？

　　目前，日本政府對于燃料電池推廣已給予了直接的政策扶持，在銷售環(huán)節(jié)中會對購車者進行補貼。與我國補貼措施類似的是國家、省市層面都會給予補貼，區(qū)別在于補貼方法。

● 新能源車同樣需要車位證明

　　許多了解日本的朋友都知道，在當地購車需要提供車位證明。即在簽署購車合同時，車主必須提交由居住地警察署出具的停車位證明書，說明停車位的位置并繪出詳細的停車位置圖。車位可以是自己擁有的，也可以是租借的。

　　對于Mirai而言，雖然目前有價格補貼，但現階段購買這臺燃料電池產品，同樣需要車主提交車位證明。

■ 從一億到七百萬的秘密

　　盡管Mirai是一臺燃料電池車，但從整體結構上看它仍具有傳統(tǒng)內燃機車型的特點。對于它的外觀、內飾部分此前我們已經進行過較為詳細的解讀，對這些細節(jié)還略感陌生的朋友可以點擊《開辟新天地 實拍豐田氫燃料電池車Mirai》閱讀。這次我想和您聊聊它身上的一些技術特點以及由此引發(fā)的蝴蝶效應。

● 模塊化架構提升零部件通用率

　　豐田燃料電池項目的研發(fā)始于1992年，當時評估量產后的售價接近一億日元，今天價格已經下降到七百萬日元，售價的降低反應了開發(fā)、制造成本的下降，這其中隱藏了豐田不少努力。

● 優(yōu)化核心結構技術

　　提升零部件通用率是降低成本的有效手段之一，另一方面在20多年的研發(fā)過程中，豐田在燃料電池技術本身也取得了突破。開發(fā)人員通過優(yōu)化結構，降低貴金屬材料用量等方法，進一步降低車輛制造成本。

　　到了Mirai上，工程師在燃料電池和逆變器之間加裝了一種FDC升壓器，這樣早已大規(guī)模量產混合動力車型上使用的650V電機和逆變器可以直接應用在燃料電池車上。其他一些零部件例如智能功率模塊等也可以直接整合到Mirai上，從而通過利用混動車型量產規(guī)模效應降低燃料電池車型成本的目標。

　　為提升性能，Mirai燃料電池組中的質子交換膜厚度減薄了三分之二，促進了水的反向擴散，而導電率提高到原來的三倍；同時，高價聚合物電解質（electrolyte polymer）的用量也相應的減少。通過優(yōu)化鉑鈷合金比，催化劑的性能提高了80%；催化劑的碳載體也由空心體改為實體，這使得鉑金催化劑只能附著于碳載體表面而不會進入到內部空心中，鉑的利用率提高為原來的兩倍，鉑的消耗量減少了三分之二。這些技術創(chuàng)新大大降低了單位面積電極的材料成本。

　　儲氫罐是燃料電池車的儲能機構，除了安全性外，還有輕量化開發(fā)需求。因此在立項之初，開發(fā)團隊便決定在部分機構上使用了碳纖維材質。在量產工作中，豐田與碳纖維供應商進行了技術研發(fā)合作，提升普通碳纖維的強度。最終在Mirai上用普通碳纖維取代了FCHV-adv上使用的價格高昂的航空用碳纖維。

　　此前的量產車型中這部分中高角度螺旋纏繞占整個結構的25%，在Mirai上，這部分結構取消了高角度螺旋纏繞，通過改變塑料襯里的形狀，使過渡區(qū)域由連續(xù)弧線改為直線，減少了纏繞的總圈數。此外，開發(fā)團隊同事用環(huán)向纏繞層沿軸向逐漸回縮形成弧頂部的形狀，提高了過渡區(qū)域強度。這一系列改動使CFRP的用量相比此前車型相同區(qū)域減少了40%。重量效率比原來提高了20%，達到了全球最高水平的5.7wt%。

● 并非完美無缺

　　當然，Mirai的成本或者說售價還有不少下降空間，比如目前由于產量較小，車輛結構特殊的原因，它還只能在元町工廠中以低自動化率的方式生產。

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　　在不斷推進燃料電池技術量產的過程中，豐田希望包括Mirai在內的車型不僅在性能上要與傳統(tǒng)燃油車比肩，同時在成本上也一定要有競爭力，這樣才能成為未來交通工具的主流。當然，對于一項應用新技術的車型而言，降低成本勢必需要過程。從1億日元到7百萬日元雖已明顯減少，但距離普及仍舊任重而道遠。

● 反應產物只有水？

　　對于燃料電池的工作原理，相信此前已經有過不少的介紹，但大多是整體模型的演示，細節(jié)部分的奧妙并沒有過多展示，這次我們有機會見到了其中的部分模型。

　　燃料電池原理早已不再新鮮，但豐田針對這項技術進行了不少優(yōu)化，以此提升工作效率。其中包含了使用3D立體精細流道解決了燃料電池中水管理和氣流沖突問題；減少電解質薄膜，以此提升導電性能；通過使用鉑鈷合金和納米顆粒的方法，降低了90%的鉑需求等等。

　　另外值得注意的是，專家口中阻止燃料電池技術在中國普及的是鉑。根據2014年豐田公布的資料顯示，Mirai燃料電池組中核心材料鉑用量不到30g，根據近日195.44元/克的價格，其成本不到6000元。加之其后備廂內電池組使用的是成熟混動車型上的技術，因此這部分顯然不是燃料電池產品無法在國內普及的原因。

● 有氫等于不安全？

　　相信不少人反對燃料電池汽車的重要理由是車輛中的高壓氫氣罐不安全，在撞擊或經年累月的使用后會有爆炸的危險，想要回答這個問題還需要我們從結構看起。

　　車身保護結構采用東麗株式會社的碳纖維增強復合材料予以強化，并設計能擴散和吸收跨越多重組件的碰撞沖擊能量，以確保高水平的碰撞安全性能，保證車頭、車尾，還是車側遭受撞擊時，結構都能保護燃料電池組以及高壓儲氫罐。

■ 簡單駕駛感受

　　在此需要道歉的是，由于沒有合法的國際駕照，因此這次的赴日體驗之旅沒能真正在開放道路上進行駕駛，所以感受上并不完善，希望今后有機會可以進行更充分的體驗。

《取代石油指日可待 試駕Mirai燃料電池車》

小結：

　　1992年項目開始時，開發(fā)團隊對今后量產的燃料電池車給出了1億日元/臺的價格預估，這顯然無法大規(guī)模普及。因此在這些年的研發(fā)過程中，團隊一方面在繼續(xù)提升性能參數，另一個研發(fā)重點就是降低成本。另一方面，同我國一樣，目前日本政府也針對購買燃料電池車進行了一部分補貼。這不難讓人想到1997年，第一代普銳斯推出時的情景，在大規(guī)模量產以及拉長時間軸后，混動車型才結出了累累碩果，燃料電池能否復制這個神話也是豐田的賭注。在下一期的文章中，我們將為您揭曉養(yǎng)車環(huán)節(jié)的情況，敬請期待。（文/圖 汽車之家 唐朝）

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　　[汽車之家 技術]  從1992年項目之初預計的一億日元/臺的售價，到今天的補貼前七百萬日元/臺，歷經20多年的研發(fā)，豐田的工程團隊在推進燃料電池技術量產化的路上從未停止。對消費者而言，無論是燃料電池車型，還是傳統(tǒng)動力車型，購買后的使用成本才是影響大家選擇的重要原因。在最后一期文章中，咱們就來實際體驗下加氫過程，同時看看與維修保養(yǎng)有關的那些事兒。

■ 專用App解決加注煩惱

　　對于車主而言，購買僅僅是個開始，后續(xù)使用中的不便才是阻礙推廣的重要因素。無論是傳統(tǒng)燃油車使用的加油站，還是純電動車需要的充電樁，為車輛提供能量“加注”的服務設施都是影響使用感受的重要因素。燃料電池這項新技術普及面臨的重要阻礙之一，就是加注站的數量還遠遠無法滿足需求。

　　雖然隨著快充技術的進步，目前大部分純電動車已經可以在半小時左右的時間將電量補充至80%，不過相比內燃機車以分鐘為單位的補能速度，這半小時的使用感受仍舊談不上具有競爭力。通過我們的體驗不難看到，加注時間以及金額上它確實與傳統(tǒng)燃油車相差不多。

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■ 氫氣的運輸

　　看完了使用感受環(huán)節(jié)，讓我們將視角再向前稍加追溯，看看運輸環(huán)節(jié)的情況。目前加氫站的氫氣主要通過高壓儲氫車補給，儲氫車每半個月前往一次加氫站，一次補給可以滿足300臺Mirai的加注需求。粗略統(tǒng)計，每日加氫車輛約為20臺。

■ 免費點檢

　　除了加注站數量不足，使用相對不便外，在后續(xù)的使用過程中保修與保養(yǎng)是阻礙大部分人選擇燃料電池車的又一項重要原因。根據我們的實地調查，目前Mirai的保養(yǎng)時間確實比傳統(tǒng)燃油車更長，但原因主要在于銷售數量較少，操作員實際接觸較少，需要一定時間與總部確認。

■ 鄰國的啟示

　　在了解了日本能源情況、收集了購買、使用、保養(yǎng)等環(huán)節(jié)的信息后，我們明白了現階段推廣燃料電池產品遇到的問題以及阻礙。從燃料電池技術本身看，它在延續(xù)純電動產品優(yōu)勢的同時，還能很好規(guī)避前者缺點，但它的普及勢必需要多條成熟產業(yè)鏈的配合。

　　能源結構類型、相關技術研發(fā)、車企生產制造、氫氣制取、后續(xù)基礎設施布置、維修保養(yǎng)政策等等這些推動新技術普及的關鍵環(huán)節(jié)，我們都存在明顯的差距。是否適合在這個時間階段引入國內的結論我想屏幕前的您自有評判......

全文總結：

　　當全部環(huán)節(jié)了解完后，不難看出氫燃料電池產品的普及絕不僅是車企單方面的努力便可達成。高純度氫的制取需要兼顧成本、環(huán)保以及結果；加注站的硬件設施建設相比加油站而言無論是硬件設計難度，還是成本需求均明顯提升了一個檔次；對產品而言，燃料電池技術以及相關的零部件需要車企以及供應商共同積累，當然僅僅做出來仍舊不夠，合理的成本控制才是推進普及的關鍵因素。而這一些現階段我國均不具備，因此在短期內我們的新能源之路將如何發(fā)展，答案顯而易見。（文/圖 汽車之家 唐朝）

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