“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。

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。

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。

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。

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。

由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提升到650V。

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。

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。

燃料电池堆栈+镍氢电池混合动力

直接驱动Mirai车轮的电动机功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相当于一辆2.0升自然吸气家轿的动力水平。

除了燃料电池堆栈发电之外，Mirai后轴上方布置的1.6千瓦时的镍氢电池组也有着非常重要的作用——动力电池+储能电池。

这个电池组基本上跟凯美瑞混动的电池完全一样，在整车负载低的时候可以单独用它供电带动车辆前进，与此同时燃料电池堆栈发出来的电可以给电池充电，用镍氢电池充当一个“缓存”；

当车辆有更大的动力需求的时候，镍氢电池组很快就会耗光，所以这时候燃料电池堆栈就直接向电动机输电，跟镍氢电池组实现双重供电来满足需求；当车辆减速行驶的时候，电动机转化为发电机来回收动能，电量直接输送到镍氢电池组内储存起来。

小结：

纵观氢燃料电池整个运行过程中，除了消耗氢气和空气之外，没有其他的能源消耗，没有加油也没有充电。

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。

加一次油能跑1000公里，丰田的技术还领先中国几十年？

李总理当地时间5月11日上午在日本首相安倍晋三陪同下，来到位于苫小牧市的丰田汽车北海道厂区参观考察。

据媒体报道，丰田汽车特意将“最尖端”的汽车技术运到这一零部件厂展示给李总理，主要报道的技术有三个：多功能出行平台、自动驾驶、氢燃料电池车。网上同时还有一些说法，指丰田还拥有固态电池技术的纯电动车，以及加满油续航里程可达1000公里的汽车等。

在此我们不仅需要对丰田的尖端技术作一些评价，也需要澄清一些问题。

毫无疑问，经过了四十年改革开放，国内科技水平有了飞速进步，现在中国领导人去日本所看到的技术差距，与几十年前邓小平参观日本时的技术差距远远不可同日而语。

客观来说，日本丰田不仅在汽车技术领域依然保持世界领先，在生产制造上也有很多管理经验为世界制造业所模仿。

例如为全球业界称道的精益生产（Lean Production）、准时制生产（Just in time，也叫零库存生产）等就是丰田公司创造的，甚至在生产管理上形成“丰田生产方式”的概念。但是，随着中国生产企业的大量崛起并向丰田等先进公司持续学习，现在中日之间的技术差距已经显著缩小了。01

氢燃料电池车：丰田领先世界

首先来看多功能出行平台，这个事实上并不能算什么新的技术，而是一种应用创新，是把共享乘车、商品零售、货物运送等多种功能集成在一辆车上，这点毋庸多谈。自动驾驶技术，包括美国和中国在内的很多公司也都在做，而且中国公司起步并不晚，技术水平可以说与国外相差不大。我个人始终认为对“自动驾驶”这个概念需要仔细地进行区分，不要去搞漫无边际的自动驾驶。

要首先对技术载体进行严格的限定，例如地铁进行自动驾驶相对就比较容易实现；然后是有限定条件的自动驾驶，现阶段就想“一步到位”、实现在任意复杂城市路面上的无人驾驶，搞不好会成为又一个“第五代计算机”计划（注：日本在20世纪80年代初提出，最后失败的科技发展计划）。值得重视的是丰田的氢燃料电池车，丰田的确是这一领域的世界领导者。业界普遍认为氢燃料电池车是终级的理想汽车技术，一方面原因是它在行驶过程中排放出的只是水，另一方面是氢气是各种气体中密度最小的，而燃料电池的氧化剂则是取自空气中的氧气（对比之下锂电池氢化剂则存在于电池本身），可以说是随时补给、取之不尽。

事实上，一切燃料电池都具有类似的从空气中获取氧气作氧化剂从而减轻重量的优点，例如各种金属空气电池等。

传统的燃油车能量密度较高，从而续航里程较长，事实上也是利用了这一点。所以，氢燃料电池的比能量密度在理论上是比较高的，每公斤氢气的比能量密度可达约17千瓦时，这是现在锂电池（以三元锂电池来计算）的85倍左右。在实际应用中，因为储氢罐等需要占一定重量，因此实际比能量密度会大幅度降低。

总体上说现在整个储氢系统效率在5%，也就是整个储氢系统的总重量100公斤，实际储存的氢气是5公斤左右。这会使储氢系统的能量密度比理论上降低到20分之1。

但就算这样，一次加氢5公斤，其储存的能量也可使氢燃料电池车续航里程达到600公里以上，与传统燃油车大致持平。

2018款的丰田Mirai（日文“未来”之意）一次加满5公斤氢气的续航里程可以达到700公里。加氢过程在时间上与燃油车也差不多，每公里燃料使用成本大约为0.5元人民币，比燃油车略高一些。

所以，如果从使用习惯和使用成本上说，氢燃料电池车与现在的燃油车很接近，接下来想要实现商业化普及，最关键的是要大量投资新建加氢站网络。

丰田Mirai

当然，自然界并不存在广泛可获取的氢，而需要通过消耗一定能量生产制取。所以对“氢能”这个说法是需要谨慎理解的。在现实能源产业中，氢只是一种能量转换的载体，而不是天然可开采的能源。

生产氢的途径很广泛，且历史很久，已经算是一个传统产业了。以甲烷、甲醇、乙醇等很多化工原料为基础都可以制氢，通过电解法也可以直接用水来制氢。

业界期待的最理想境界是直接用简单的方法以太阳能或风能等为能源，通过电解水逆反应，从水中生产氢，这样全流程就非常环保了。氢燃料电池车的核心是氢燃料电池系统，这里面有两个关键性的技术。一是氢燃料电池，二是氢的储存。在这两个方面，丰田公司的技术的确都是世界最领先的。氢燃料电池最核心的是催化反应部分，它将自带的氢气与取自空气中的氧气经过电化学反应产生电。

催化反应需要用到极为昂贵的金属铂，这种金属每年全球产量只有200吨多一点，比黄金还要稀少得多。

要降低燃料电池的成本，从技术上说关键是要尽可能减少铂的使用量，或者有替代铂的方案。

丰田公司能做到将一辆氢燃料电池车的铂需求量进一步减少。业界也在积极寻求不用铂的催化技术，如果能实现就解决了燃料电池汽车制造成本上的一个最大的技术难题。储存氢气也是一个很难的技术，因为氢分子实在是太小了，如果用一般的钢瓶储存，氢气分子都会钻到钢材的缝隙中去，产生叫“氢脆”的问题，使钢瓶的强度下降。

因此，需要将氢气以700个大气压储存在复合材料制作的特殊氢气罐里。毫无疑问，其品质对安全保证是很关键的。

不过，氢气储存在安全性上也有它的优点，即使它发生泄露，由于氢气比空气轻，它会迅速向上漂，而不象汽油泄露那样流得到处都是。汽车里泄露的汽油一旦着火，极大概率是会迅速把整个汽车烧毁。

所以从理论上说氢燃料电池车至少比燃油车更为安全。丰田公司的氢气罐可以做到用世界上最强武器之一——美军海军陆战队使用的M82A3式狙击步枪都打不穿的地步。由此看来，氢燃料电池车能否大规模普及，关键点还是在催化剂上能否有大的突破。此外，氢燃料电池因为其较高的比能量密度，不仅在新能源车上有应用，而且在无人机等其他领域也有较广泛的应用价值。02

固态电池技术：日本有生产工艺优势

对于电池行业来说，固态电池并不是一个陌生概念。早在2012年苹果公司就已经开始了全固态电池技术的专利布局，随后包括丰田在内的一些知名厂商也在这个领域有所投入。

纯电动车的成本主要体现在电池上。为了使普通读者更容易理解，我把电动汽车锂电池技术大致分成四个大的时代：

第一代是磷酸铁锂电池，能量密度在100 Wh/kg（每公斤瓦时）左右。

第二代是三元锂电池，200 Wh/kg左右。

第三代是固体电解质锂电池，现在业界叫“固态电池”，300 Wh/kg左右。

第四代是锂硫电池等，400 Wh/kg左右。

当然，每一代的技术并非完全单一，而是会有很多不同变化。甚至就是三元锂电池本身就有很多种。但以上大致的分代可以使我们对纯电动车未来的发展趋势有一个直观的了解。特斯拉一开始就采用的是第二代的三元锂电池中的镍钴铝技术，中国2017年纯电动车普遍采用镍钴锰三元锂电池。固态电池，事实上是指第三代的固体电解质锂电池。中国在固体电解液电池上也有技术积累，而且在第四代的技术上也有很多单位在开发。只是在具体电池生产工艺上，日本和韩国的三星、LG等还是有长期技术优势的。一般来说，电池的能量密度越高，每千瓦时的存储成本就越低。对续航里程问题，不同汽车的用户体验可能会有些不同。我个人认为纯电动车的续航里程会经历这么一个变化过程：

最初因为电池太贵，因此续航里程很短，只有120公里；

随着电池成本持续地大幅度降低，续航里程不断增长；

由于充电设施还不是很普及，充电不是很方便，用户对续航里程需求还会在一定时间持续增长，现在400公里甚至更长续航里程的纯电动车款已经很多了；

未来充电设施越来越普及，充电越来越方便，到处都可以充电，再加上各种电动车充电宝产品流行，用户并不需要买很长续航里程的电动车，购买电动车的成本又极大降低。

固态电池的安全性比液态锂电池高很多，而且续航里程很长。固态电池普及后，纯电动车的成本可达到与现在燃油车接近的程度。不过，这项技术开发有难度，目前这方面研究最深的就是丰田汽车，但也一直没有实现商业化量产。于是，日本政府决定和企业联起手来加快固态电池的研发。据报道，日本经济产业省将向“锂电池材料评价研究中心（LIBTEC）”出资16亿日元，这家研究中心是由旭化成、东丽和Kuraray等化工企业成立的，现在丰田、日产和本田三大车企和松下、GSYUASA等电池企业也将加入其中。除了加快技术研发，日本经济产业省还计划向国际电工委员会（IEC）提出申请来推动固态电池国际标准的制定，这样就能从一开始掌握更多话语权，从而在电动汽车的电池领域获得领先地位。03

加一次油跑1000公里：

汽车公司很快都能做到

目前新能源车主要是三个方案：最早出现的混合动力、纯电动、氢燃料电池。丰田公司在混合动力和燃料电池两个技术上都处于世界领先水平。

那么有传言说丰田开发出加一次油可以跑1000公里的车，这是真的吗？

其实，不仅丰田能做到，很快几乎每家汽车公司都能做到了。

因为现在开发燃油车的公司也都在向混合动力方向发展。这种混合动力是用燃油发动机发电，用电机驱动。其显著好处包括：

一是燃油发动机可以稳定地工作，在最佳效率状态发电；

二是不用齿轮箱了；

三是利用了电机驱动的好处，在各种转速下扭矩大致是均衡的；

四是电驱动可以进行能量回收。

电机驱动可以使百公里耗油显著降低。如果只是用燃油发动机本身改进，效率几乎不太可能降到百公里油耗5升以下。

但采用混动的方案，可以比较容易做到百公里耗油4升左右甚至更低，在城市复杂工况下做到这种省油的水平也是可以的。这样，原来加满油40-50升只能跑400-600公里的车，现在就都可以跑上千公里了。如果是插电增程式混动，电池本身有50到100公里左右的续航里程，可以采用充电方式在城市内跑，跑长途用燃油增程，相当于内置充电宝。

丰田是混合动力车的先驱，2017年丰田新能源车全球销量达到152万辆，主要就是靠混合动力技术实现的，并且在混合动力技术上已经有20年的积累，至2017年，丰田以混合动力车为主的新能源车全球累积销量达到1147万辆。

大多数人认为混合动力是一个过渡方案，问题是这个过渡时间会有多长。这取决于纯电动和燃料电池车的发展情况。前两年混合动力车在中国新能源车销量中的比例呈下降状态，但2017年至今混合动力车占比又快速上升。

混合动力车和氢燃料电池车在续航里程上都有优势，混合动力车又可直接利用原来燃油车普遍存在的加油网络系统，因此对续航里程有较高要求的用户现在还是会青睐前者。