比日本沉没更大的危机
[汽车之家 技术] 近些年，中国品牌在技术研发上的投入正在快速增加 ，但与那些能够踏出国门，甚至是所在大洲，站在全球舞台上的海外车企相比，我们的实力还不在一个量级上。尤其是在新能源车型的研发中，欧洲、美国、日本车企在上世纪末已开始进行了相关研发，而今天我们的车企在这方面的积累屈指可数。所以，为了掌握燃料电池技术最先进的状态，汽车之家选择了走出去实地调查。
引言：
21年前，丰田推出了混动技术的首款量产车普锐斯，尽管当时成本颇高，但抱着布局未来的决心，他们决定咬牙坚持。时至今日，超过1200万台的销量证明了当时的“赌博”是正确的。今天，Mirai的处境与当年颇为类似，或者说由于需要布局全新的基础设施，因此面临挑战更大。相比纯电动车更短的充能时间，与内燃机车一样的续航里程，同时更加环保，这些优点加持下它或许才是未来真正的发展趋势。
今天这个时间节点有些类似一百多年前内燃机车代替马车的时代，我们怎能错过近距离观察的好机会？所以我们选择了前往日本，这次我们将从源头的技术路线选择，看到消费者购买车型、使用、保养环节，为您展现一个燃料电池产品全方位的状态。作为开篇文章，本期我们从根源聊起，看看为什么日本会孤注一掷的选择氢燃料电池。在最后的文章中，我们将逐一揭秘在买、用、养等环节中，燃料电池推广现状。最终，我们再来探讨下这项技术是否适合在我国尽快推行，以及将碰到那些阻碍。
■ 来源与身世
氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是将氢气和氧气蕴含的化学能经过电化学反应直接转换为电能的发电装置，它工作反应时的产物仅有水，符合环保发展需求。同时燃料加注时间和传统燃油车一样，这就规避了纯电动车充电时间长的缺点。另外加注燃料后，车辆续航里程与传统燃油车别无二致，令使用者不再有里程焦虑。此前我们已经进行过详细的解读，对它还比较陌生的朋友可以点击《新纪元的到来 聊聊燃料电池汽车那些事》阅读。
这里说句题外话，石油危机的爆发当然不仅推动了燃料电池民用化发展，其对于整个汽车工业走向都产生了深远影响。此前低廉的油价令大排量自然吸气发动机在很长的一段时间里都是技术发展的主流趋势，因此孕育而生了美式汽车文化。当油价迅速飙升，甚至后期发展为有价无市后，小排量发动机以及节油技术快速成为了技术发展的新方向。这样的发展趋势促进了在节油、低排放等技术领域具有明显优势的日系车企进入美国市场，当然这是后话了。
当然，燃料电池技术并非完全没有缺点，而原因众说纷纭。能源并不清洁、基础设施少、使用费用高，这些问题到底是真是假？现阶段普通民众真的难以承受？对着屏幕用键盘深评问道肯定得不到真正的答案，因此科技决定前往日本，用我们的双眼看看目前世界上量产推广程度最高的日本到底处于何种状态。当然，我们更想知道我国能否推广普及，以及问题或阻碍出在哪里？从日本身上我们能学到什么。
■ 倔强的孤注一掷？
纵观历史，对新鲜事物抱有极大兴趣的除了所谓的冒险精神，便是渴望通过新技术改变自身状态的群体。日本由于其特殊的地理特点，因此一直以来对节能、减排或者说对具有长久发展潜力的事物抱有浓厚的兴趣。
为满足巨大的需求量，1972年起，大阪煤气、关西电力、东京电力等公司于1972年起与文莱等国签订了为期40年的天然气进口协议，以巩固天然气供给网络。截止2012年，日本对天然气的需求已占全球总需求量的37%，从日本能源需求分布上看，石油占52%、煤炭与核电占15%、天然气占4%、其他可再生资源占1.3%。
巨大的需求量并不意味着核能、天然气就是日本政府心中理想的替代能源。重要问题之一就是各类技术标准、专利不掌握在日本厂商手中。与之相对的，氢能的技术积淀更深，专利更多。氢正是燃料电池的“燃料”之一，值得注意的是日本大力推动燃料电池和氢能源战略的初衷和前提是大力发展核电。
日本对燃料电池产生兴趣是在上个世纪90年代，小泉纯一郎就任内阁总理大臣的第二年，也就是2002年，日本核战略进入了快速推广期。4年后的2006年，日本国家能源新战略及核能立国计划大纲中明确表示，要把核能发电提高到占总发电量的30%-40%。
推广核能仅仅是其中一部分，核能可以产生大量且廉价的电能，再利用电能分解法制备氢气，最终为燃料电池所需要的氢能源才是整个计划中的重头戏。如果计划推行成功，将一举改变日本能源现状。此前，日本94%的能源消费依靠进口，能源自给率仅为6%左右，不过这一切确实因为核泄漏事故的影响发生了些许改变。
将褐煤变废为宝
■ 新能源不能来自老污染
当然，燃料电池产品虽然有着众多优点，却也因为技术原因有着自己的问题。其中最重要，也是被挑战最多的便是能量之一的氢气制取。如果仍旧通过火力发电,随后电解水得到氢气，那么纯电动车被质疑的污染问题也会困扰着它。在这个问题上，日本已经找到了一些解决方案。
近年来，世界主流的车用燃料电池产品均为氢燃料电池，但自然界中单质氢气存在相当少见，因此制氢就成为使用整个产业链的源头问题。目前，氢气在很多行业以一种副产品的形式存在，这些行业主要集中在制碱和冶炼等高温工业领域。
由于氢气并不是最终的生产目标，所以导致副生氢气在规模、成本和品质方面有一定的差距。因此，在核能发电计划受影响后，日本尝试探索化石燃料反应、电解水、生物制氢、太阳能、风能等多种形式制氢。
- 变废为宝：化石燃料反应
从供给数量上看，目前绝大多数氢气来自天然气和石油燃料反应。在这之中依靠天然气和水，即甲烷和水经过高温产生一氧化碳和氢气的方式是其中最主流的方法。这种制备方法除了可以取得数量较大且纯度较高的氢气外，同时还具备加工成本相对较低以及排放温室气体较少的优点。
另外，从2017年开始，日本尝试从海外进口廉价氢气。其中川崎重工业株式会社（Kawasaki Heavy Industries）已在澳大利亚设立工厂，在当地他们使用廉价褐煤生产氢气。
- 初中物理解决问题：电解水
电解水制氢是目前工业制备高纯度氢气的主要方法，目前分为电解盐水和电解纯水两种方式。成本方面，电解纯水相对电解盐水更高。副产品方面，电解纯水的产物只有氧气和氢气。而电解盐水除了可以获得氢气外，还可以得到苛性碱、氯气等。
电解水与电解盐水两者制备氢气的纯度都相对较高，可以达到99.99%，也就是说都能满足燃料电池使用需求，不过盐水电解要更具规模更容易形成产业化，且在生产速度和能耗上比电解水更高。
便便拯救世界
- 便便拯救世界：生物制氢
前面提到的几种方法是目前工业中已经成熟应用的，下面说到的生物制氢处于探索阶段。其中有使用农作物、木材等碳水化合物材料制氢的方法，丰田还尝试在美国用动物排泄物制取。是的，你没听错，未来拯救世界的或许就是你不想在吃饭时面对的便便了。
除此以外，目前在试验纯细菌和细胞固定化技术产氢，利用生物学发现的产氢菌种进行生物制氢相比之前的工业制取方法更加环保。另外，部分藻类植物生长过程同样会生产出可供使用的氢能源，但目前技术局限于产量以及收集难度。待混合培养技术和新生物技术应用更成熟后，生物制氢技术潜力会被进一步释放。
- 完全零污染：风能与太阳能
无论是化石燃料加工，还是电解水以及最新鲜的牛粪提取，中间免不了加温、加压等过程，即使经过处理，仍旧会排放一定污染物，同时消耗部分能源。为了无限接近最初设定的可循环、零排放目标，丰田也在尝试将风能、太阳能添加至氢气制取过程。
风能在制氢过程中扮演的角色是提供电力来源，最终制取过程还是依靠传统电解水。与使用核能发电相比，风能更纯净，且安全系数更高，这也是丰田选择它的重要原因。
当然，风能也有其局限性，其中之一便是受天气因素影响较大，风速过小或过大时，风力发电机都无法工作。因此，这个需要蓄电池组缓冲、消除由于风力发电机工作断续带来的供电波动，保证水电解制氢装置可以得到持续的供电。
除了风能，纯净的可再生资源中太阳能也可以用于制氢，和风能一样，太阳能也主要为电解水制氢过程提供电能来源。
后续预告：
明白了日本为何如此坚决的推广燃料电池后，我们将聚焦细节产品。毕竟对于广大消费者而言，产品本身才是他们决定购买与否的因素。购买价格如何？是否享受补贴？怎么买最划算，以及诸如如何保证安全性等等问题我们将一一揭晓答案。
小结：
与纯电动产品相比，燃料电池产品规避了前者充电时间过长、续航短的缺点，当然新技术在发展阶段，或多或少面临着成本高昂、基础设施建设的弊端。即便如此，对于能源短缺的日本而言，未来稳定的能源供给模式使他们推广态度最为积极。在下面几期文章中，我们将逐步展现其在不同环节中，如何解决成本高昂、基础设施建设不足的问题。（文/图 汽车之家 唐朝）
普及也需依靠政府补贴？
[汽车之家 技术] 在上一期的文章中，我们仔细的分析了日本为何在燃料电池技术成本居高不下的情况下，仍旧选择推广这项技术。在这期中，我们将视线聚焦到产品环节。从购买、使用环节看看目前丰田Mirai，这款目前量产销量最高的燃料电池车在实际使用中碰到的问题。看看网传的购买价格高昂，使用不便，到底是真是假。
■ 购买环节
● 一般店中买不到？
丰田在日本针对不同消费者制定了有差异化的销售渠道，不同渠道间负责销售不同的车型，从而既避免了渠道间的相互竞争，又能满足不同消费群体的需求。具体而言，在日本共有TOYOTA、TOYOPET、COROLLA、NETZ四种渠道，其中普通消费者可以在TOYOTA、TOYOPET中购买到Mirai。
● 七百万日元的抉择
1997年丰田推出第一代混动车型普锐斯时，它在日本本土的售价达到了215万日元，作为对比，同时期尺寸、级别相差不多，代号AE110的Corolla（卡罗拉）1.5 SE Saloon售价仅152.7万日元。换言之，搭载新技术的车型其售价远比成熟车款高昂的多，这样的问题在Mirai身上同样存在。通过官网，不难发现这一特点。
● 有无补贴？怎么补贴？
目前，日本政府对于燃料电池推广已给予了直接的政策扶持，在销售环节中会对购车者进行补贴。与我国补贴措施类似的是国家、省市层面都会给予补贴，区别在于补贴方法。
● 新能源车同样需要车位证明
许多了解日本的朋友都知道，在当地购车需要提供车位证明。即在签署购车合同时，车主必须提交由居住地警察署出具的停车位证明书，说明停车位的位置并绘出详细的停车位置图。车位可以是自己拥有的，也可以是租借的。
对于Mirai而言，虽然目前有价格补贴，但现阶段购买这台燃料电池产品，同样需要车主提交车位证明。
从一亿到七百万日元的秘密
■ 从一亿到七百万的秘密
尽管Mirai是一台燃料电池车，但从整体结构上看它仍具有传统内燃机车型的特点。对于它的外观、内饰部分此前我们已经进行过较为详细的解读，对这些细节还略感陌生的朋友可以点击《开辟新天地 实拍丰田氢燃料电池车Mirai》阅读。这次我想和您聊聊它身上的一些技术特点以及由此引发的蝴蝶效应。
● 模块化架构提升零部件通用率
丰田燃料电池项目的研发始于1992年，当时评估量产后的售价接近一亿日元，今天价格已经下降到七百万日元，售价的降低反应了开发、制造成本的下降，这其中隐藏了丰田不少努力。
● 优化核心结构技术
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多年的研发过程中，丰田在燃料电池技术本身也取得了突破。开发人员通过优化结构，降低贵金属材料用量等方法，进一步降低车辆制造成本。
到了Mirai上，工程师在燃料电池和逆变器之间加装了一种FDC升压器，这样早已大规模量产混合动力车型上使用的650V电机和逆变器可以直接应用在燃料电池车上。其他一些零部件例如智能功率模块等也可以直接整合到Mirai上，从而通过利用混动车型量产规模效应降低燃料电池车型成本的目标。
为提升性能，Mirai燃料电池组中的质子交换膜厚度减薄了三分之二，促进了水的反向扩散，而导电率提高到原来的三倍；同时，高价聚合物电解质（electrolyte polymer）的用量也相应的减少。通过优化铂钴合金比，催化剂的性能提高了80%；催化剂的碳载体也由空心体改为实体，这使得铂金催化剂只能附着于碳载体表面而不会进入到内部空心中，铂的利用率提高为原来的两倍，铂的消耗量减少了三分之二。这些技术创新大大降低了单位面积电极的材料成本。
储氢罐是燃料电池车的储能机构，除了安全性外，还有轻量化开发需求。因此在立项之初，开发团队便决定在部分机构上使用了碳纤维材质。在量产工作中，丰田与碳纤维供应商进行了技术研发合作，提升普通碳纤维的强度。最终在Mirai上用普通碳纤维取代了FCHV-adv上使用的价格高昂的航空用碳纤维。
此前的量产车型中这部分中高角度螺旋缠绕占整个结构的25%，在Mirai上，这部分结构取消了高角度螺旋缠绕，通过改变塑料衬里的形状，使过渡区域由连续弧线改为直线，减少了缠绕的总圈数。此外，开发团队同事用环向缠绕层沿轴向逐渐回缩形成弧顶部的形状，提高了过渡区域强度。这一系列改动使CFRP的用量相比此前车型相同区域减少了40%。重量效率比原来提高了20%，达到了全球最高水平的5.7wt%。
● 并非完美无缺
当然，Mirai的成本或者说售价还有不少下降空间，比如目前由于产量较小，车辆结构特殊的原因，它还只能在元町工厂中以低自动化率的方式生产。
在不断推进燃料电池技术量产的过程中，丰田希望包括Mirai在内的车型不仅在性能上要与传统燃油车比肩，同时在成本上也一定要有竞争力，这样才能成为未来交通工具的主流。当然，对于一项应用新技术的车型而言，降低成本势必需要过程。从1亿日元到7百万日元虽已明显减少，但距离普及仍旧任重而道远。
氢气等于不安全？
● 反应产物只有水？
对于燃料电池的工作原理，相信此前已经有过不少的介绍，但大多是整体模型的演示，细节部分的奥妙并没有过多展示，这次我们有机会见到了其中的部分模型。
燃料电池原理早已不再新鲜，但丰田针对这项技术进行了不少优化，以此提升工作效率。其中包含了使用3D立体精细流道解决了燃料电池中水管理和气流冲突问题；减少电解质薄膜，以此提升导电性能；通过使用铂钴合金和纳米颗粒的方法，降低了90%的铂需求等等。
另外值得注意的是，专家口中阻止燃料电池技术在中国普及的是铂。根据2014年丰田公布的资料显示，Mirai燃料电池组中核心材料铂用量不到30g，根据近日195.44元/克的价格，其成本不到6000元。加之其后备厢内电池组使用的是成熟混动车型上的技术，因此这部分显然不是燃料电池产品无法在国内普及的原因。
● 有氢等于不安全？
相信不少人反对燃料电池汽车的重要理由是车辆中的高压氢气罐不安全，在撞击或经年累月的使用后会有爆炸的危险，想要回答这个问题还需要我们从结构看起。
车身保护结构采用东丽株式会社的碳纤维增强复合材料予以强化，并设计能扩散和吸收跨越多重组件的碰撞冲击能量，以确保高水平的碰撞安全性能，保证车头、车尾，还是车侧遭受撞击时，结构都能保护燃料电池组以及高压储氢罐。
■ 简单驾驶感受
在此需要道歉的是，由于没有合法的国际驾照，因此这次的赴日体验之旅没能真正在开放道路上进行驾驶，所以感受上并不完善，希望今后有机会可以进行更充分的体验。
小结：
1992年项目开始时，开发团队对今后量产的燃料电池车给出了1亿日元/台的价格预估，这显然无法大规模普及。因此在这些年的研发过程中，团队一方面在继续提升性能参数，另一个研发重点就是降低成本。另一方面，同我国一样，目前日本政府也针对购买燃料电池车进行了一部分补贴。这不难让人想到1997年，第一代普锐斯推出时的情景，在大规模量产以及拉长时间轴后，混动车型才结出了累累硕果，燃料电池能否复制这个神话也是丰田的赌注。在下一期的文章中，我们将为您揭晓养车环节的情况，敬请期待。（文/图 汽车之家 唐朝）
分分钟“满血复活”
[汽车之家 技术] 从1992年项目之初预计的一亿日元/台的售价，到今天的补贴前七百万日元/台，历经20多年的研发，丰田的工程团队在推进燃料电池技术量产化的路上从未停止。对消费者而言，无论是燃料电池车型，还是传统动力车型，购买后的使用成本才是影响大家选择的重要原因。在最后一期文章中，咱们就来实际体验下加氢过程，同时看看与维修保养有关的那些事儿。
■ 专用App解决加注烦恼
对于车主而言，购买仅仅是个开始，后续使用中的不便才是阻碍推广的重要因素。无论是传统燃油车使用的加油站，还是纯电动车需要的充电桩，为车辆提供能量“加注”的服务设施都是影响使用感受的重要因素。燃料电池这项新技术普及面临的重要阻碍之一，就是加注站的数量还远远无法满足需求。
虽然随着快充技术的进步，目前大部分纯电动车已经可以在半小时左右的时间将电量补充至80%，不过相比内燃机车以分钟为单位的补能速度，这半小时的使用感受仍旧谈不上具有竞争力。通过我们的体验不难看到，加注时间以及金额上它确实与传统燃油车相差不多。
优惠政策不止降低售价
■ 氢气的运输
看完了使用感受环节，让我们将视角再向前稍加追溯，看看运输环节的情况。目前加氢站的氢气主要通过高压储氢车补给，储氢车每半个月前往一次加氢站，一次补给可以满足300台Mirai的加注需求。粗略统计，每日加氢车辆约为20台。
■ 免费点检
除了加注站数量不足，使用相对不便外，在后续的使用过程中保修与保养是阻碍大部分人选择燃料电池车的又一项重要原因。根据我们的实地调查，目前Mirai的保养时间确实比传统燃油车更长，但原因主要在于销售数量较少，操作员实际接触较少，需要一定时间与总部确认。
■ 邻国的启示
在了解了日本能源情况、收集了购买、使用、保养等环节的信息后，我们明白了现阶段推广燃料电池产品遇到的问题以及阻碍。从燃料电池技术本身看，它在延续纯电动产品优势的同时，还能很好规避前者缺点，但它的普及势必需要多条成熟产业链的配合。
能源结构类型、相关技术研发、车企生产制造、氢气制取、后续基础设施布置、维修保养政策等等这些推动新技术普及的关键环节，我们都存在明显的差距。是否适合在这个时间阶段引入国内的结论我想屏幕前的您自有评判......
全文总结：
当全部环节了解完后，不难看出氢燃料电池产品的普及绝不仅是车企单方面的努力便可达成。高纯度氢的制取需要兼顾成本、环保以及结果；加注站的硬件设施建设相比加油站而言无论是硬件设计难度，还是成本需求均明显提升了一个档次；对产品而言，燃料电池技术以及相关的零部件需要车企以及供应商共同积累，当然仅仅做出来仍旧不够，合理的成本控制才是推进普及的关键因素。而这一些现阶段我国均不具备，因此在短期内我们的新能源之路将如何发展，答案显而易见。（文/图 汽车之家 唐朝）
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