氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)已駛過(guò)2021賽季終點(diǎn) 回望這半年在制造、運(yùn)輸、使用中的進(jìn)化

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? 制造：利用廢水制造氫的福岡市
? 運(yùn)輸：使用搭載高壓儲(chǔ)氫罐的MIRAI實(shí)現(xiàn)效率化
? 使用：實(shí)現(xiàn)了提高兩成馬力、三成扭矩、油耗不變的進(jìn)化
? 經(jīng)歷了半年的挑戰(zhàn)，工程師們的感受

11月13日與14日，超級(jí)耐力賽的最后一場(chǎng)比賽在位于日本美作市的岡山國(guó)際賽道圓滿(mǎn)結(jié)束。在前篇中，我們聚焦了志同道合的伙伴們，快馬加鞭為下一賽季緊張準(zhǔn)備的情況。

本篇中，我們將對(duì)這一賽季做出總結(jié)，從制造、運(yùn)輸、使用的視角出發(fā)，分析這半年的進(jìn)化成果。

制造：利用廢水制造氫的福岡市

本賽季豐田與多家廠(chǎng)商建立了氫燃料供需關(guān)系。其中包括利用地?zé)岚l(fā)電制氫的大林組，以及利用太陽(yáng)能發(fā)電制氫的豐田汽車(chē)九州，和位于福島縣浪江町的福島氫能研究場(chǎng)(FH2R)。另外，還選用了福岡市利用廢水處理生物制氫的全新技術(shù)。

福岡市很早就著眼于探究更多氫能開(kāi)發(fā)的可能性，2004年在日本率先成立了產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合組織，成為了“福岡氫能源戰(zhàn)略會(huì)議”成員，提前著手相關(guān)開(kāi)發(fā)研究。2014年，該市又啟動(dòng)了“推廣氫能模范市項(xiàng)目”，為實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)，在日本率先展開(kāi)了多次實(shí)證試驗(yàn)。

從2015年3月開(kāi)始，他們挑戰(zhàn)了全球首例通過(guò)廢水處理廠(chǎng)，利用來(lái)自市民的生活廢水造氫項(xiàng)目，并建設(shè)加氫站為氫燃料電池車(chē)（FCEV）提供供給。

上圖為設(shè)置于福岡市中水處理中心的氫能制造設(shè)備

廢水處理生物制氫技術(shù)是指，將處理廢水時(shí)產(chǎn)生的發(fā)酵氣體（包含60%的甲烷CH₄和40%的CO₂），通過(guò)膜分離裝置過(guò)濾獲取甲烷，再將其與水蒸氣（H₂O）發(fā)生反應(yīng)，從而獲得氫。而剩余的CO₂則可以進(jìn)行液化處理，用于蔬菜溫室栽培。

另外，由于每天都會(huì)產(chǎn)生廢水，所以可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定造氫。如果有效利用日本全國(guó)的廢水處理廠(chǎng)，用其產(chǎn)生的甲烷造氫，那么將可實(shí)現(xiàn)能源地產(chǎn)地銷(xiāo)。

通過(guò)廢水處理生物制氫的方式，一天工作12小時(shí)，可獲得約3300Nm3左右，相當(dāng)于大約60輛MIRAI的運(yùn)輸量。這次為預(yù)賽所準(zhǔn)備的氫燃料，其中兩成來(lái)自于福岡市。

福岡市經(jīng)濟(jì)觀(guān)光文化局創(chuàng)業(yè)與布局推進(jìn)部的富田雅志部長(zhǎng)，意氣風(fēng)發(fā)地說(shuō)道：“福岡市從十年前就開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)氫能，希望尋求與更多志同道合的伙伴建立合作關(guān)系，最近一兩年來(lái)，社會(huì)越來(lái)越重視氫能的利用，相信通過(guò)這次比賽，隨著朋友圈的擴(kuò)大，今后一定能夠促進(jìn)產(chǎn)學(xué)官合作，共同為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)而繼續(xù)努力。這也是我們一直以來(lái)的目標(biāo)。

運(yùn)輸：使用搭載高壓儲(chǔ)氫罐的MIRAI實(shí)現(xiàn)效率化

本次為比賽提供的氫能，在運(yùn)輸環(huán)節(jié)也考慮到了碳中和，特意選用了Euglena公司制造的以生物燃料為動(dòng)力的汽車(chē)，從各個(gè)生產(chǎn)地運(yùn)送到岡山。

另外，由于之前在三重縣鈴鹿賽車(chē)場(chǎng)的比賽中，豐田與Commercial Japan Partnersip Technologies（CJPT）合作，使用氫燃料電池輕卡時(shí)，為運(yùn)送15kg重的氫燃料，僅行駛100km就要耗費(fèi)7kg氫燃料，效率十分低下。

造成這種結(jié)果的原因有兩點(diǎn)，首先是運(yùn)輸用的金屬儲(chǔ)氫罐較重，輕卡能夠裝載的數(shù)量十分有限。另一點(diǎn)則是受限于儲(chǔ)氫罐的容器最大允許工作壓力，每個(gè)存儲(chǔ)罐的填充量受到了限制。

為解決這些問(wèn)題，現(xiàn)在正在進(jìn)行改善工作。決定改用經(jīng)過(guò)MIRAI多年技術(shù)積累，既能滿(mǎn)足輕量化目的，又能實(shí)現(xiàn)提高允許工作壓力的樹(shù)脂內(nèi)襯CFRP（碳纖維強(qiáng)化塑料）材質(zhì)儲(chǔ)氫罐。

若使用傳統(tǒng)金屬制儲(chǔ)氫罐，放滿(mǎn)一個(gè)貨架重量將達(dá)到1.7t，而輕卡的載重量為3t，所以一次甚至不能同時(shí)裝載兩個(gè)貨架。

而使用新研發(fā)的樹(shù)脂內(nèi)襯CFRP儲(chǔ)氫罐，每個(gè)貨架重量為1.35t。即便是同時(shí)裝載兩個(gè)貨架，重量也僅有2.7t，完全可以輕松放入寬幅1.7~2m的卡車(chē)中。

上圖為停在賽道活動(dòng)廣場(chǎng)上，正在展示樹(shù)脂內(nèi)襯CFRP儲(chǔ)氫罐的貨架

此外，金屬儲(chǔ)氫罐的最大允許工作壓力僅有15MPa，而新材質(zhì)儲(chǔ)氫罐的最大允許壓達(dá)到了70MPa。

這樣一來(lái)，一次運(yùn)輸?shù)臍淙剂先萘勘氵_(dá)到了過(guò)去的5.5倍，超過(guò)了80kg。大大提高了運(yùn)輸效率。

另外。CJPT的中嶋裕樹(shù)社長(zhǎng)，還針對(duì)未來(lái)課題而提出了建議：“雖然CFRP材質(zhì)的儲(chǔ)氫罐成本較高，但隨著今后氫燃料使用范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)普及到商用車(chē)等領(lǐng)域時(shí)，我們可以將儲(chǔ)氫罐的尺寸規(guī)格化，就像現(xiàn)在大家使用的電池一樣，有著固定的型號(hào)。這樣一來(lái)，使用者越多，價(jià)格自然也會(huì)下降?！?

使用：實(shí)現(xiàn)了提高兩成馬力、三成扭矩、油耗不變的進(jìn)化

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，身處賽車(chē)運(yùn)動(dòng)嚴(yán)苛環(huán)境中，在短短三場(chǎng)比賽期間，實(shí)現(xiàn)了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的迅敏研發(fā)。

GR項(xiàng)目推進(jìn)部的高橋智也部長(zhǎng)表示：“我們主要改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式，細(xì)微調(diào)整了氫燃料噴射方法，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到了提升。但一般情況提高動(dòng)能后，油耗也會(huì)隨之加大，不過(guò)從數(shù)據(jù)上看，現(xiàn)在的油耗與最初在富士國(guó)際賽車(chē)場(chǎng)時(shí)基本沒(méi)有變化。從此也證明發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)得到了有效改善?！?

自氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)在今年5月參加富士24小時(shí)耐力賽開(kāi)始，至今已過(guò)去6個(gè)月。在這期間，發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力提高了兩成，扭矩提高了三成。如今，從性能方面來(lái)看，甚至已經(jīng)超越了普通燃油車(chē)。

從另一方面看，原本魚(yú)與熊掌不可兼得的油耗，卻沒(méi)有因發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高而加大。假設(shè)將現(xiàn)在氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)的馬力調(diào)整到富士賽時(shí)期的水平，相當(dāng)于節(jié)省了20%的油耗。

而且，當(dāng)初4分30秒的加氫時(shí)間，由于升壓率的提高，現(xiàn)已縮短了六成，僅需1分50秒即可。

上圖為正在加氫的氫燃料COROLLA。（攝影：三橋仁明/N-RAK PHOTO AGENCY）

高橋部長(zhǎng)表示：“儲(chǔ)氫罐的壓力一旦提高將會(huì)產(chǎn)生熱量，我們會(huì)使用監(jiān)測(cè)器確保其溫度保持在安全范圍內(nèi)，這樣一來(lái)便可以提高速度?！?/p>

另外，在對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造的同時(shí)，為了在比賽中取得更好的成績(jī)，我們必須考慮減少賽車(chē)進(jìn)入維修區(qū)的次數(shù)。

GR項(xiàng)目推進(jìn)部首席工程師坂本尚之（CE），在談話(huà)中吐露了研發(fā)團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)。他表示：“我們現(xiàn)在正致力于延長(zhǎng)續(xù)航距離。將車(chē)身輕量化處理，整體提升汽車(chē)性能。這也是為了迎合碳中和社會(huì)，為廣大消費(fèi)者擴(kuò)大選擇范圍而進(jìn)行的嘗試。今后該項(xiàng)技術(shù)不僅能運(yùn)用于氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)，在BEV車(chē)型中也通用?！?

此外，坂本CE還向我們介紹，現(xiàn)在車(chē)隊(duì)正在為今后的比賽不斷改進(jìn)升級(jí)?！捌鋵?shí)現(xiàn)在的儲(chǔ)氫罐形狀體積效率并不高。今后如果儲(chǔ)氫罐能夠改善為可任意制定的形狀，將會(huì)更有效率。今年為了能夠趕上比賽日程，我們直接使用了MIRAI的儲(chǔ)氫罐，明年我們還將會(huì)研究是否有更好的選擇?！?

上圖為密切關(guān)注比賽進(jìn)展的坂本CE。（中央左/攝影：三橋仁明/N-RAK PHOTO AGENCY）

經(jīng)歷了半年的挑戰(zhàn)，工程師們的感受

當(dāng)GAZOO Racing Company的佐藤恒治總裁被記者問(wèn)到氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)性能進(jìn)化的相關(guān)問(wèn)題時(shí)，他如下回答道。

速度的提升可以通過(guò)數(shù)值體現(xiàn)，但其實(shí)還有很多發(fā)生在維修區(qū)的，在“工作方式”上的變化也不容忽視。研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員們也都有這種實(shí)感。

坂本CE說(shuō)：“批量生產(chǎn)的研發(fā)工作往往都比較慎重，需要根據(jù)面臨的問(wèn)題去設(shè)定交期。但賽車(chē)運(yùn)動(dòng)期間的研發(fā)，交期必須設(shè)定為比賽間隙的一個(gè)半月內(nèi)，因此很多工作方式都要隨之改變。大家不斷集思廣益，團(tuán)結(jié)一致，才能最終實(shí)現(xiàn)突飛猛進(jìn)的進(jìn)化?！?

高橋部長(zhǎng)也針對(duì)敏捷開(kāi)發(fā)表示肯定：“汽車(chē)能夠在這么短的時(shí)間內(nèi)得到歷練，半年內(nèi)就完成了車(chē)型的整體提升，可以說(shuō)是史無(wú)前例的事情?！?/p>

2022年的3月19日、20日，超級(jí)耐力賽將在鈴鹿賽車(chē)場(chǎng)開(kāi)賽。出色完成完美進(jìn)化的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)，下一賽季的表現(xiàn)也不容忽視。

上圖為一起再2021年賽季中打拼的ROOKIE Racing成員們。（攝影：三橋仁明/N-RAK PHOTO AGENCY）