文/宋菲

    从混动到燃料电池

   之所以这么多车企近年来一心搞纯电动汽车，甚至有很大一部分车企认为新能源汽车的最终目标就是纯电驱动，一个主要原因在于，在找到石油的替代能源之前，电能是最直接可用的能源形式，风能、水能、核能、光能、燃煤等都可转化为电能。然而丰田汽车则认为，新能源汽车的发展路径是从混合动力过渡到燃料电池汽车，甚至由不得纯电动车形成真正意义上的市场。
   《品质汽车》记者了解到的一种观点可以对此加以佐证。从能量守恒定律的角度看，纯电动汽车算不上一个节能的解决方案，因为纯电动车只解决将电能作为汽车动力的问题，但由于从外部输入电瓶的电能首先要转化为化学能，使用时再将化学能转换为电能，每一步转换都需要耗能，再转换为机械能。而传统动力则是直接将发动机的动力转换为机械能，混合动力是在传统动力的基础上，增加了能量回收和储能装置，将发动机多余的动能，以及制动、溜车等耗费的能量转换为电能，然后储存在电瓶中。如果使用煤电驱动电动车，那么与传统动力汽车相比，纯电动汽车不仅是个高耗能产品，而且还是高污染产品。

   “而氢燃料汽车由于其较高的能量转换效率、H2O零无污染的排放，都能更大程度地实现节能环保。”汽车分析师张志勇认为，将燃料电池汽车作为新能源汽车发展的终极目标，不仅仅是丰田汽车，其实整个社会都有此共识。

   根据国际能源署、日本经产省的预测数据，按国际能源署预测，2030年以前，全球新能源汽车市场仍将以插电式汽车、纯电动汽车为主，2030年氢燃料电池汽车在世界汽车销量中的占比约为2%~3%。2030~2050年，插电式汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车发展顺序和市场大格局保持不变，但氢燃料电池汽车占比将提高到15%左右。日本经产省最新预测，2030年氢燃料电池汽车占日本汽车市场保有量的比例约为3%，插电式汽车和纯电动汽车占比为20%~30%。

    成本从1亿到500万

   然而，对于这一新能源发展趋势的争论目前仍在继续，新能源汽车的另一位大佬，特斯拉CEO马斯克就曾公开表示质疑。

   张志勇在采访中表示，“目前来讲，燃料电池汽车的发展门槛的确很高，从技术上看，能量密度、储氢安全、低温性能等方面都有大量问题亟待解决，还有一个更主要的原因在于其价格高昂。”据了解，7年前丰田曾发布了燃料电池版汉兰达，每辆车的成本高达1亿日元（当时约合700万元人民币），这样高昂的价格主要源于燃料电池中质子交换膜的催化剂材料——铂，而如何减少其用量或寻找合适的替代材料成为关键。据了解，在改进氢燃料电池设计的进程中，丰田大幅度减少了燃料电池中铂的使用量，使催化剂更为高效，并且为了减少铂的使用量，开发了用于添加催化剂的精密设备，确保没有一点催化剂被浪费。

   就Mirai这款车而言，据说每辆车成本只是当年燃料电池版汉兰达的1/20，售价为723.6万日元（约合人民币40万元），日本政府对每辆汽车补贴202万日元之后，消费者只需支付约520万日元（约合27万元人民币）。

   7年时间里，丰田的燃料电池技术在不断优化，除了上述催化剂方面的改善，比如Mirai搭载的燃料电池堆栈由370片薄片燃料电池组成，利用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，有效改善发电效率，整个堆栈的发电效率达到3.1kW/L，比7年前提升了2.2倍。再比如，为了提升燃料电池车的安全性，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。

    未来并未真正来临

   丰田燃料电池汽车的快速发展，与丰田此前较为成熟的混合动力技术有不小的关系，据了解，燃料电池汽车技术与丰田的混合动力汽车技术是一脉相承的，可以与混动在电机、电控等方面核心技术共享，Mirai的工程设计团队中就有来自混动汽车设计的工程师。

   如今丰田的燃料电池技术已经能够支持燃料电池汽车实现量产，而且根据丰田的宣传，Mirai加满一箱氢气只需3分钟，加满燃料后续航里程可达到650公里，对比当今的新能源车型，无论续航里程还是加燃料时间都有明显优势。而且，Mirai上市后的第一个月，日本国内就已经接到1500个订单，远超过丰田2015年在日本国内销售400辆的计划。

   然而张志勇却认为，“Mirai的所谓量产，并非像我们通常所理解的在市场上向广大消费者进行推广，而更应该理解为燃料汽车从实验室阶段走向了实用阶段。而这里所说的实用阶段又不是指向私人消费者销售，而主要是面向政府机关团体、大型服务机构等，面向私人市场应该还有更远的距离。丰田的燃料电池车虽然得到了日本政府的大力支持，但仍旧处于市场应用的初级阶段。”

   首先在基础设施建设方面，燃料电池车加氢站的建设就有不小难题。据了解，目前一座加氢站的建设费用在5亿日元（约2600万元人民币），即使政府提供一半补贴，建设成本仍是加油站的4倍。如果不能保证一定量的车辆保有，就很难有企业愿意投入这笔巨资。燃料电池车加氢站的建设比纯电动车充电桩、充电站的建设难度也更大。

   另外一点，目前氢气仍主要源自于天然气、石油等化石燃料，如果不能广泛利用低成本光伏、生物等电解的氢，氢燃料电池汽车作为终极环保汽车仍没有实际意义。

   最近有消息称，Mirai的注册资料已经出现在了中国国家知识产权局，这预示着Mirai今后有望引入国内销售。对此记者向丰田中国发言人牛豫求证，得到的结论是，就Mirai是否会引入中国销售还没有确定。

    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。

    《产品可靠性报告》2015年3月刊