燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動(dòng)力

　　豐田Mirai燃料電池汽車(chē)

　　前不久豐田正式發(fā)售了燃料電池汽車(chē)Mirai（譯名：未來(lái)），直接與純電動(dòng)車(chē)進(jìn)行競爭?！叭剂想姵亍边@四個(gè)字想必大家或多或少都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，因為這是全世界科學(xué)家研究了數十年的技術(shù)，始終沒(méi)有取得重大的技術(shù)突破，至少是沒(méi)有誰(shuí)能夠拿得出成本適合消費級市場(chǎng)的成熟技術(shù)。而在不到一年前，豐田就放出豪言說(shuō)已經(jīng)在燃料電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，可以使車(chē)用燃料電池的成本從100萬(wàn)美元降到5萬(wàn)美元，降幅高達95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現了豪言。雖然目前Mirai的價(jià)格約合38萬(wàn)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(chē)。

　　豐田Mirai核心結構注釋

　　宇宙黑科技的由來(lái)

　　豐田Mirai的結構與傳統的汽油車(chē)或者純電動(dòng)車(chē)都不一樣，如果硬要找出一個(gè)類(lèi)似的結構，可能豐田最暢銷(xiāo)的普銳斯跟Mirai會(huì )有著(zhù)一點(diǎn)點(diǎn)相似的結構吧。Mirai的動(dòng)力系統被稱(chēng)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。TFSC沒(méi)有傳統的汽油發(fā)動(dòng)機，也沒(méi)有變速器，發(fā)動(dòng)機艙內部是電動(dòng)機和電動(dòng)機的控制單元。

　　豐田Mirai結構圖

　　在駕駛艙底部布置著(zhù)的燃料電池堆棧是整套系統的核心，本文也將著(zhù)重點(diǎn)筆墨來(lái)對其做出解析。在車(chē)身后橋部分放置著(zhù)一個(gè)鎳氫動(dòng)力電池組和前后兩個(gè)高壓儲氫罐，沒(méi)錯，沒(méi)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(mǎn)5公斤氫氣就可以連續跑上640公里！而為什么要在題目中說(shuō)燃料電池是“宇宙黑科技”呢？那是因為氫元素是宇宙中最豐富的成分，氫元素在地球上儲量也是最豐富的，而氫氣在燃料電池中跟空氣中的氧氣結合，排出的唯一“廢物”是純凈水！所以氫燃料電池一直被認為是“外星科技”，是最適合宇宙空間站或者宇宙探測器使用的備用能源之一。

豐田Mirai核心結構布置圖

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(lái)獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應過(guò)程中的電荷轉移來(lái)形成電流的，這一過(guò)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(guò)程可以理解成蚊子無(wú)法穿過(guò)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節及主要參數燃料電池堆棧外部細節及主要參數

　　因為氫分子體積小，可以透過(guò)薄膜的微小孔洞游離到對面去，但是在穿越孔洞的過(guò)程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過(guò)，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。電解質(zhì)薄膜兩側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)氧離子結合成為純水，是反應的廢物。所以本質(zhì)來(lái)講，整個(gè)運行過(guò)程就是發(fā)電過(guò)程。因此Mirai是純電動(dòng)車(chē)，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(chēng)為“堆?！?，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的燃料電池技術(shù)，結構基本類(lèi)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構，比如3D立體微流道技術(shù)，通過(guò)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)電效率達到了世界先進(jìn)水平，達到了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(guò)300V電壓，所以為了更好驅動(dòng)電動(dòng)機，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(wú)法液化，所以氫氣要安全儲藏和運輸并不容易。所以氫氣無(wú)法像汽油那樣直接注入普通油箱里。豐田設計了一大一小兩個(gè)儲氫罐，通過(guò)高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲存技術(shù)，豐田選用了700Mpa也就是700個(gè)大氣壓的高壓儲氣罐，類(lèi)似我們常見(jiàn)的“煤氣罐”，只不過(guò)罐體更厚重。兩個(gè)儲氫罐一共的容量是122.4升，采用700個(gè)大氣壓儲存，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，反而儲氫罐特別笨重。

　　氫氣儲存性能

　　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(kāi)車(chē)吧？所以?xún)涔薇辉O計成四層結構，鋁合金的罐體內部襯有塑料內膽，外面包裹一層碳纖維強化塑料的保護層，保護層外側再增加一層玻璃纖維材料的減震保護層，并且每一層的纖維紋路都根據所處罐身位置不同而做了額外的優(yōu)化，使纖維順著(zhù)壓力分布的方向，提升保護層的效果。

燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動(dòng)力

　　直接驅動(dòng)Mirai車(chē)輪的電動(dòng)機功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當于一輛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(zhù)非常重要的作用——動(dòng)力電池+儲能電池。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(chē)負載低的時(shí)候可以單獨用它供電帶動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，與此同時(shí)燃料電池堆棧發(fā)出來(lái)的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當一個(gè)“緩存”；

　　燃料電池汽車(chē)工作原理

　　當車(chē)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)機輸電，跟鎳氫電池組實(shí)現雙重供電來(lái)滿(mǎn)足需求；當車(chē)輛減速行駛的時(shí)候，電動(dòng)機轉化為發(fā)電機來(lái)回收動(dòng)能，電量直接輸送到鎳氫電池組內儲存起來(lái)。

　　小結：

　　縱觀(guān)氫燃料電池整個(gè)運行過(guò)程中，除了消耗氫氣和空氣之外，沒(méi)有其他的能源消耗，沒(méi)有加油也沒(méi)有充電。相比純電動(dòng)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小時(shí)才能充滿(mǎn)電量。氫氣加注的速度則更快，僅需3分鐘即可充滿(mǎn)兩個(gè)儲氫罐，并且超過(guò)600公里的續航里程甚至比普通汽油車(chē)更優(yōu)越。雖然現在加氫站還是極度罕見(jiàn)，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(shí)際上市場(chǎng)空間會(huì )比純電動(dòng)車(chē)更大。