氫燃料發(fā)動機(jī)賽車已駛過2021賽季終點 回望這半年在制造、運輸、使用中的進(jìn)化

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? 制造：利用廢水制造氫的福岡市
? 運輸：使用搭載高壓儲氫罐的MIRAI實現(xiàn)效率化
? 使用：實現(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，超級耐力賽的最后一場比賽在位于日本美作市的岡山國際賽道圓滿結(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，我們將對這一賽季做出總結(jié)，從制造、運輸、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，以及利用太陽能發(fā)電制氫的豐田汽車九州，和位于福島縣浪江町的福島氫能研究場(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)略會議”成員，提前著手相關(guān)開發(fā)研究。2014年，該市又啟動了“推廣氫能模范市項目”，為實現(xiàn)氫能社會，在日本率先展開了多次實證試驗。

從2015年3月開始，他們挑戰(zhàn)了全球首例通過廢水處理廠，利用來自市民的生活廢水造氫項目，并建設(shè)加氫站為氫燃料電池車（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，將處理廢水時產(chǎn)生的發(fā)酵氣體（包含60%的甲烷CH₄和40%的CO₂），通過膜分離裝置過濾獲取甲烷，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，由于每天都會產(chǎn)生廢水，所以可實現(xiàn)穩(wěn)定造氫。如果有效利用日本全國的廢水處理廠，用其產(chǎn)生的甲烷造氫，那么將可實現(xiàn)能源地產(chǎn)地銷。

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

福岡市經(jīng)濟(jì)觀光文化局創(chuàng)業(yè)與布局推進(jìn)部的富田雅志部長，意氣風(fēng)發(fā)地說道：“福岡市從十年前就開始致力于開發(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，社會越來越重視氫能的利用，相信通過這次比賽，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，共同為實現(xiàn)碳中和社會而繼續(xù)努力。這也是我們一直以來的目標(biāo)。

運輸：使用搭載高壓儲氫罐的MIRAI實現(xiàn)效率化

本次為比賽提供的氫能，在運輸環(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力的汽車，從各個生產(chǎn)地運送到岡山。

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

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

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

若使用傳統(tǒng)金屬制儲氫罐，放滿一個貨架重量將達(dá)到1.7t，而輕卡的載重量為3t，所以一次甚至不能同時裝載兩個貨架。

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

上圖為停在賽道活動廣場上，正在展示樹脂內(nèi)襯CFRP儲氫罐的貨架

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

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

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

使用：實現(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)動機(jī)汽車研發(fā)團(tuán)隊，身處賽車運動嚴(yán)苛環(huán)境中，在短短三場比賽期間，實現(xiàn)了氫燃料發(fā)動機(jī)的迅敏研發(fā)。

GR項目推進(jìn)部的高橋智也部長表示：“我們主要改善了發(fā)動機(jī)的燃燒方式，細(xì)微調(diào)整了氫燃料噴射方法，使發(fā)動機(jī)性能得到了提升。但一般情況提高動能后，油耗也會隨之加大，不過從數(shù)據(jù)上看，現(xiàn)在的油耗與最初在富士國際賽車場時基本沒有變化。從此也證明發(fā)動機(jī)確實得到了有效改善?！?

自氫燃料發(fā)動機(jī)賽車在今年5月參加富士24小時耐力賽開始，至今已過去6個月。在這期間，發(fā)動機(jī)的馬力提高了兩成，扭矩提高了三成。如今，從性能方面來看，甚至已經(jīng)超越了普通燃油車。

從另一方面看，原本魚與熊掌不可兼得的油耗，卻沒有因發(fā)動機(jī)性能的提高而加大。假設(shè)將現(xiàn)在氫燃料發(fā)動機(jī)賽車的馬力調(diào)整到富士賽時期的水平，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）

高橋部長表示：“儲氫罐的壓力一旦提高將會產(chǎn)生熱量，我們會使用監(jiān)測器確保其溫度保持在安全范圍內(nèi)，這樣一來便可以提高速度。”

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

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

此外，坂本CE還向我們介紹，現(xiàn)在車隊正在為今后的比賽不斷改進(jìn)升級?！捌鋵崿F(xiàn)在的儲氫罐形狀體積效率并不高。今后如果儲氫罐能夠改善為可任意制定的形狀，將會更有效率。今年為了能夠趕上比賽日程，我們直接使用了MIRAI的儲氫罐，明年我們還將會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到氫燃料發(fā)動機(jī)賽車性能進(jìn)化的相關(guān)問題時，他如下回答道。

速度的提升可以通過數(shù)值體現(xiàn)，但其實還有很多發(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)隊的成員們也都有這種實感。

坂本CE說：“批量生產(chǎn)的研發(fā)工作往往都比較慎重，需要根據(jù)面臨的問題去設(shè)定交期。但賽車運動期間的研發(fā)，交期必須設(shè)定為比賽間隙的一個半月內(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，才能最終實現(xiàn)突飛猛進(jìn)的進(jìn)化。”

高橋部長也針對敏捷開發(fā)表示肯定：“汽車能夠在這么短的時間內(nèi)得到歷練，半年內(nèi)就完成了車型的整體提升，可以說是史無前例的事情?！?/p>

2022年的3月19日、20日，超級耐力賽將在鈴鹿賽車場開賽。出色完成完美進(jìn)化的氫燃料發(fā)動機(jī)車，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）