燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動(dòng)力

　　豐田Mirai燃料電池汽車

　　前不久豐田正式發(fā)售了燃料電池汽車Mirai（譯名：未來），直接與純電動(dòng)車進(jìn)行競(jìng)爭?！叭剂想姵亍边@四個(gè)字想必大家或多或少都聽說過，因?yàn)檫@是全世界科學(xué)家研究了數(shù)十年的技術(shù)，始終沒有取得重大的技術(shù)突破，至少是沒有誰能夠拿得出成本適合消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的成熟技術(shù)。而在不到一年前，豐田就放出豪言說已經(jīng)在燃料電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，可以使車用燃料電池的成本從100萬美元降到5萬美元，降幅高達(dá)95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現(xiàn)了豪言。雖然目前Mirai的價(jià)格約合38萬人民幣，但要知道這是首次投放市場(chǎng)的量產(chǎn)燃料電池車。

　　豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)注釋

　　宇宙黑科技的由來

　　豐田Mirai的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的汽油車或者純電動(dòng)車都不一樣，如果硬要找出一個(gè)類似的結(jié)構(gòu)，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會(huì)有著一點(diǎn)點(diǎn)相似的結(jié)構(gòu)吧。Mirai的動(dòng)力系統(tǒng)被稱作TFSC（Toyota FC Stack），即豐田燃料電池堆棧，是以燃料電池堆棧為核心組件的混合動(dòng)力系統(tǒng)。TFSC沒有傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，也沒有變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部是電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的控制單元。

　　豐田Mirai結(jié)構(gòu)圖

　　在駕駛艙底部布置著的燃料電池堆棧是整套系統(tǒng)的核心，本文也將著重點(diǎn)筆墨來對(duì)其做出解析。在車身后橋部分放置著一個(gè)鎳氫動(dòng)力電池組和前后兩個(gè)高壓儲(chǔ)氫罐，沒錯(cuò)，沒有油箱和大面積的鋰離子電池，Mirai唯一需要消耗的“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(xù)跑上640公里！而為什么要在題目中說燃料電池是“宇宙黑科技”呢？那是因?yàn)闅湓厥怯钪嬷凶钬S富的成分，氫元素在地球上儲(chǔ)量也是最豐富的，而氫氣在燃料電池中跟空氣中的氧氣結(jié)合，排出的唯一“廢物”是純凈水！所以氫燃料電池一直被認(rèn)為是“外星科技”，是最適合宇宙空間站或者宇宙探測(cè)器使用的備用能源之一。

豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)布置圖

燃料電池工作原理

　　雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣，同時(shí)氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒，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(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移來形成電流的，這一過程最關(guān)鍵的技術(shù)就是利用特殊的“電解質(zhì)薄膜”將氫氣拆分，整個(gè)過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，但是更小的灰塵卻可以……電解質(zhì)薄膜也是燃料電池領(lǐng)域最難被攻克的技術(shù)壁壘。

　　燃料電池堆棧外部細(xì)節(jié)及主要參數(shù)燃料電池堆棧外部細(xì)節(jié)及主要參數(shù)

　　因?yàn)闅浞肿芋w積小，可以透過薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去，但是在穿越孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負(fù)電）和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來講，整個(gè)運(yùn)行過程就是發(fā)電過程。因此Mirai是純電動(dòng)車，燃料電池堆棧代替的就是厚重且充電效率低下的鋰離子電池組。

　　豐田2008年燃料電池

　　豐田Mirai的燃料電池創(chuàng)新

　　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，因此被稱為“堆棧”，一共可以輸出114千瓦的發(fā)電功率。此前我們也分析了大眾集團(tuán)的燃料電池技術(shù)，結(jié)構(gòu)基本類似。豐田的燃料電池堆棧經(jīng)歷了十幾年的技術(shù)優(yōu)化，形成了自己的特色結(jié)構(gòu)，比如3D立體微流道技術(shù)，通過更好地排出副產(chǎn)物水，讓更多空氣流入，有效改善了發(fā)電效率。所以整個(gè)堆棧的發(fā)電效率達(dá)到了世界先進(jìn)水平，達(dá)到了3.1千瓦/升，比2008年豐田的技術(shù)整整提升了2.2倍。

　　Mirai燃料電池堆棧技術(shù)迭代

　　由于燃料電池堆棧中每片電池發(fā)電的電壓大約在0.6V-0.8V之間，整體也不會(huì)超過300V電壓，所以為了更好驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，還需要安裝一個(gè)升壓器，將電壓提升到650V。

　　燃料電池迭代

　　700個(gè)大氣壓下儲(chǔ)存氫氣

　　了解氫氣物理特性的人都清楚，氫氣跟汽油不同，常溫下氫氣是氣體，密度非常低并且非常難液化，常溫下更是無法液化，所以氫氣要安全儲(chǔ)藏和運(yùn)輸并不容易。所以氫氣無法像汽油那樣直接注入普通油箱里。豐田設(shè)計(jì)了一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐，通過高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲(chǔ)存技術(shù)，豐田選用了700Mpa也就是700個(gè)大氣壓的高壓儲(chǔ)氣罐，類似我們常見的“煤氣罐”，只不過罐體更厚重。兩個(gè)儲(chǔ)氫罐一共的容量是122.4升，采用700個(gè)大氣壓儲(chǔ)存，也只能容納約5公斤的氫氣。所以實(shí)際上燃料的重量并不大，反而儲(chǔ)氫罐特別笨重。

　　氫氣儲(chǔ)存性能

　　為了在承受700個(gè)大氣壓的前提下仍舊保持行駛安全性，我們可都不希望坐在兩個(gè)炸彈上面開車吧？所以儲(chǔ)氫罐被設(shè)計(jì)成四層結(jié)構(gòu)，鋁合金的罐體內(nèi)部襯有塑料內(nèi)膽，外面包裹一層碳纖維強(qiáng)化塑料的保護(hù)層，保護(hù)層外側(cè)再增加一層玻璃纖維材料的減震保護(hù)層，并且每一層的纖維紋路都根據(jù)所處罐身位置不同而做了額外的優(yōu)化，使纖維順著壓力分布的方向，提升保護(hù)層的效果。

燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動(dòng)力

　　直接驅(qū)動(dòng)Mirai車輪的電動(dòng)機(jī)功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當(dāng)于一輛2.0升自然吸氣家轎的動(dòng)力水平。除了燃料電池堆棧發(fā)電之外，Mirai后軸上方布置的1.6千瓦時(shí)的鎳氫電池組也有著非常重要的作用——?jiǎng)恿﹄姵?儲(chǔ)能電池。這個(gè)電池組基本上跟凱美瑞混動(dòng)的電池完全一樣，在整車負(fù)載低的時(shí)候可以單獨(dú)用它供電帶動(dòng)車輛前進(jìn)，與此同時(shí)燃料電池堆棧發(fā)出來的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當(dāng)一個(gè)“緩存”；

　　燃料電池汽車工作原理

　　當(dāng)車輛有更大的動(dòng)力需求的時(shí)候，鎳氫電池組很快就會(huì)耗光，所以這時(shí)候燃料電池堆棧就直接向電動(dòng)機(jī)輸電，跟鎳氫電池組實(shí)現(xiàn)雙重供電來滿足需求；當(dāng)車輛減速行駛的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)來回收動(dòng)能，電量直接輸送到鎳氫電池組內(nèi)儲(chǔ)存起來。

　　小結(jié)：

　　縱觀氫燃料電池整個(gè)運(yùn)行過程中，除了消耗氫氣和空氣之外，沒有其他的能源消耗，沒有加油也沒有充電。相比純電動(dòng)車而言，目前充電最快的特斯拉Model S的超級(jí)充電站也需要1.25小時(shí)才能充滿電量。氫氣加注的速度則更快，僅需3分鐘即可充滿兩個(gè)儲(chǔ)氫罐，并且超過600公里的續(xù)航里程甚至比普通汽油車更優(yōu)越。雖然現(xiàn)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(yuǎn)低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預(yù)計(jì)，如果燃料電池車能在成本控制上取得突破，實(shí)際上市場(chǎng)空間會(huì)比純電動(dòng)車更大。