豐田Mirai氫燃料電池動力解讀

不加油、不充電、不排放(fàng)尾氣，唯一(yī)排放(fàng)的廢物(wù)是純淨水！會有這樣的車(chē)存在嗎(ma)？答案是肯定的！豐田Mirai就是這樣一(yī)輛車(chē)。那麽這一(yī)切都是如何實現的呢？

前不久豐田正式發售了燃料電池汽車(chē)Mirai（譯名：未來），直接與純電動車(chē)進行競争。“燃料電池”這四個字想必大(dà)家或多或少都聽(tīng)說過，因爲這是全世界科學家研究了數十年的技術，始終沒有取得重大(dà)的技術突破，至少是沒有誰能夠拿得出成本适合消費(fèi)級市場的成熟技術。

而在不到一(yī)年前，豐田就放(fàng)出豪言說已經在燃料電池領域取得了技術突破，可以使車(chē)用燃料電池的成本從100萬美元降到5萬美元，降幅高達95%！不到一(yī)年，豐田便用Mirai兌現了豪言。雖然目前Mirai的價格約合38萬人民币，但要知(zhī)道這是首次投放(fàng)市場的量産燃料電池車(chē)。

宇宙黑科技的由來

豐田Mirai的結構與傳統的汽油車(chē)或者純電動車(chē)都不一(yī)樣，如果硬要找出一(yī)個類似的結構，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會有着一(yī)點點相似的結構吧。

Mirai的動力系統被稱作TFSC（Toyota FC Stack），即豐田燃料電池堆棧，是以燃料電池堆棧爲核心組件的混合動力系統。TFSC沒有傳統的汽油發動機，也沒有變速器，發動機艙内部是電動機和電動機的控制單元。

在駕駛艙底部布置着的燃料電池堆棧是整套系統的核心，本文也将着重點筆墨來對其做出解析。在車(chē)身後橋部分(fēn)放(fàng)置着一(yī)個鎳氫動力電池組和前後兩個高壓儲氫罐，沒錯，沒有油箱和大(dà)面積的锂離(lí)子電池，Mirai唯一(yī)需要消耗的“燃料”就是氫氣，不用加油也不用充電，加滿5公斤氫氣就可以連續跑上650公裏！

而爲什麽要在題目中(zhōng)說燃料電池是“宇宙黑科技”呢？那是因爲氫元素是宇宙中(zhōng)最豐富的成分(fēn)，氫元素在地球上儲量也是最豐富的，而氫氣在燃料電池中(zhōng)跟空氣中(zhōng)的氧氣結合，排出的唯一(yī)“廢物(wù)”是純淨水！所以氫燃料電池一(yī)直被認爲是“外(wài)星科技”，是最适合宇宙空間站或者宇宙探測器使用的備用能源之一(yī)。

燃料電池工(gōng)作原理

雖然燃料電池名字裏面有“燃料”字樣，同時氫氣也能夠跟氧氣在一(yī)起劇烈燃燒，但在燃料電池卻不是利用燃燒來獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學反應過程中(zhōng)的電荷轉移來形成電流的，這一(yī)過程最關鍵的技術就是利用特殊的“電解質薄膜”将氫氣拆分(fēn)，整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，但是更小(xiǎo)的灰塵卻可以……電解質薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。

因爲氫分(fēn)子體(tǐ)積小(xiǎo)，可以透過薄膜的微小(xiǎo)孔洞遊離(lí)到對面去(qù)，但是在穿越孔洞的過程中(zhōng)，電子被從分(fēn)子上剝離(lí)，隻留下(xià)帶正電的氫質子通過，氫質子被吸引到薄膜另一(yī)側的電極與氧分(fēn)子結合。電解質薄膜兩側的電極闆将氫氣拆分(fēn)成氫離(lí)子（正電）和電子、将氧氣拆分(fēn)成氧離(lí)子（負電）和電子，電子在電極闆之間形成電流，兩個氫離(lí)子和一(yī)個氧離(lí)子結合成爲純水，是反應的廢物(wù)。所以本質來講，整個運行過程就是發電過程。因此Mirai是純電動車(chē)，燃料電池堆棧代替的就是厚重且充電效率低下(xià)的锂離(lí)子電池組。

豐田Mirai搭載的燃料電池堆棧是由370片薄片燃料電池組成的，因此被稱爲“堆棧”，一(yī)共可以輸出114千瓦的發電功率。此前我(wǒ)們也分(fēn)析了大(dà)衆集團的燃料電池技術，結構基本類似。豐田的燃料電池堆棧經曆了十幾年的技術優化，形成了自己的特色結構，比如3D立體(tǐ)微流道技術，通過更好地排出副産物(wù)水，讓更多空氣流入，有效改善了發電效率。所以整個堆棧的發電效率達到了世界先進水平，達到了3.1千瓦/升，比2008年豐田的技術整整提升了2.2倍。

由于燃料電池堆棧中(zhōng)每片電池發電的電壓大(dà)約在0.6V-0.8V之間，整體(tǐ)也不會超過300V電壓，所以爲了更好驅動電動機，還需要安裝一(yī)個升壓器，将電壓提升到650V。

700個大(dà)氣壓下(xià)儲存氫氣

了解氫氣物(wù)理特性的人都清楚，氫氣跟汽油不同，常溫下(xià)氫氣是氣體(tǐ)，密度非常低并且非常難液化，常溫下(xià)更是無法液化，所以氫氣要安全儲藏和運輸并不容易。所以氫氣無法像汽油那樣直接注入普通油箱裏。豐田設計了一(yī)大(dà)一(yī)小(xiǎo)兩個儲氫罐，通過高壓的方式盡可能多充入一(yī)些氫氣。以目前的主流儲存技術，豐田選用了700Mpa也就是700個大(dà)氣壓的高壓儲氣罐，類似我(wǒ)們常見的“煤氣罐”，隻不過罐體(tǐ)更厚重。兩個儲氫罐一(yī)共的容量是122.4升，采用700個大(dà)氣壓儲存，也隻能容納約5公斤的氫氣。所以實際上燃料的重量并不大(dà)，反而儲氫罐特别笨重。

爲了在承受700個大(dà)氣壓的前提下(xià)仍舊(jiù)保持行駛安全性，我(wǒ)們可都不希望坐在兩個炸彈上面開(kāi)車(chē)吧？所以儲氫罐被設計成四層結構，鋁合金的罐體(tǐ)内部襯有塑料内膽，外(wài)面包裹一(yī)層碳纖維強化塑料的保護層，保護層外(wài)側再增加一(yī)層玻璃纖維材料的減震保護層，并且每一(yī)層的纖維紋路都根據所處罐身位置不同而做了額外(wài)的優化，使纖維順着壓力分(fēn)布的方向，提升保護層的效果。

燃料電池堆棧 鎳氫電池混合動力

直接驅動Mirai車(chē)輪的電動機功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當于一(yī)輛2.0升自然吸氣家轎的動力水平。除了燃料電池堆棧發電之外(wài)，Mirai後軸上方布置的1.6千瓦時的鎳氫電池組也有着非常重要的作用——動力電池 儲能電池。這個電池組基本上跟凱美瑞混動的電池完全一(yī)樣，在整車(chē)負載低的時候可以單獨用它供電帶動車(chē)輛前進，與此同時燃料電池堆棧發出來的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當一(yī)個“緩存”；

當車(chē)輛有更大(dà)的動力需求的時候，鎳氫電池組很快就會耗光，所以這時候燃料電池堆棧就直接向電動機輸電，跟鎳氫電池組實現雙重供電來滿足需求；當車(chē)輛減速行駛的時候，電動機轉化爲發電機來回收動能，電量直接輸送到鎳氫電池組内儲存起來。

小(xiǎo)結：

縱觀氫燃料電池整個運行過程中(zhōng)，除了消耗氫氣和空氣之外(wài)，沒有其他的能源消耗，沒有加油也沒有充電。相比純電動車(chē)而言，目前充電最快的特斯拉Model S的超級充電站也需要1.25小(xiǎo)時才能充滿電量。氫氣加注的速度則更快，僅需3分(fēn)鍾即可充滿兩個儲氫罐，并且超過600公裏的續航裏程甚至比普通汽油車(chē)更優越。

雖然現在加氫站還是極度罕見，但是普通加油站改造成加氫站的成本要遠低于改造成快速充電站的成本。因此我(wǒ)們可以預計，如果燃料電池車(chē)能在成本控制上取得突破，實際上市場空間會比純電動車(chē)更大(dà)。