詳解豐田燃料電池技術(圖文)

豐田Mirai燃料電池汽車

前不久豐田正式發售了燃料電池汽車Mirai（譯名：未來），直接與純電動車進行競爭。“燃料電池”這zhe四si個ge字zi想xiang必bi大da家jia或huo多duo或huo少shao都dou聽ting說shuo過guo
，因yin為wei這zhe是shi全quan世shi界jie科ke學xue家jia研yan究jiu了le數shu十shi年nian的de技ji術shu，始shi終zhong沒mei有you取qu得de重zhong大da的de技ji術shu突tu破po，至zhi少shao是shi沒mei有you誰shui能neng夠gou拿na得de出chu成cheng本ben適shi合he消xiao費fei級ji市shi場chang的de成cheng熟shu技ji術shu。而er在zai不bu到dao一yi年nian前qian
，豐feng田tian就jiu放fang出chu豪hao言yan說shuo已yi經jing在zai燃ran料liao電dian池chi領ling域yu取qu得de了le技ji術shu突tu破po
，可ke以yi使shi車che用yong燃ran料liao電dian池chi的de成cheng本ben從cong100萬美元降到5萬美元，降幅高達95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現了豪言。雖然目前Mirai的價格約合38萬人民幣，但要知道這是首次投放市場的量產燃料電池車。

豐田Mirai核心結構注釋

宇宙黑科技的由來

豐田Mirai的結構與傳統的汽油車或者純電動車都不一樣，如果硬要找出一個類似的結構，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會有著一點點相似的結構吧。Mirai的動力係統被稱作TFSC（Toyota FC Stack）
，即豐田燃料電池堆棧，是以燃料電池堆棧為核心組件的混合動力係統。TFSC沒有傳統的汽油發動機，也沒有變速器，發動機艙內部是電動機和電動機的控製單元。

豐田Mirai結構圖

在zai駕jia駛shi艙cang底di部bu布bu置zhi著zhe的de燃ran料liao電dian池chi堆dui棧zhan是shi整zheng套tao係xi統tong的de核he心xin
，本ben文wen也ye將jiang著zhe重zhong點dian筆bi墨mo來lai對dui其qi做zuo出chu解jie析xi。在zai車che身shen後hou橋qiao部bu分fen放fang置zhi著zhe一yi個ge鎳nie氫qing動dong力li電dian池chi組zu和he前qian後hou兩liang個ge高gao壓ya儲chu氫qing罐guan
，沒mei錯cuo，沒mei有you油you箱xiang和he大da麵mian積ji的de鋰li離li子zi電dian池chi，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跑上640公裏！而為什麼要在題目中說燃料電池是“宇宙黑科技”呢ne？那na是shi因yin為wei氫qing元yuan素su是shi宇yu宙zhou中zhong最zui豐feng富fu的de成cheng分fen，氫qing元yuan素su在zai地di球qiu上shang儲chu量liang也ye是shi最zui豐feng富fu的de，而er氫qing氣qi在zai燃ran料liao電dian池chi中zhong跟gen空kong氣qi中zhong的de氧yang氣qi結jie合he
，排pai出chu的de唯wei一yi“廢物”是純淨水！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

雖然燃料電池名字裏麵有“燃料”字(zi)樣(yang)

，同(tong)時(shi)氫(qing)氣(qi)也(ye)能(neng)夠(gou)跟(gen)氧(yang)氣(qi)在(zai)一(yi)起(qi)劇(ju)烈(lie)燃(ran)燒(shao)，但(dan)在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)卻(que)不(bu)是(shi)利(li)用(yong)燃(ran)燒(shao)來(lai)獲(huo)取(qu)能(neng)量(liang)
，而(er)是(shi)利(li)用(yong)氫(qing)氣(qi)跟(gen)氧(yang)氣(qi)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)電(dian)荷(he)轉(zhuan)移(yi)來(lai)形(xing)成(cheng)電(dian)流(liu)的(de)，這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)技(ji)術(shu)就(jiu)是(shi)利(li)用(yong)特(te)殊(shu)的(de)“電解質薄膜”將氫氣拆分，整個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……電解質薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。

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

yinweiqingfenzitijixiao，keyitouguobomodeweixiaokongdongyoulidaoduimianqu，danshizaichuanyuekongdongdeguochengzhong
，dianzibeicongfenzishangboli，zhiliuxiadaizhengdiandeqingzhizitongguo
，qingzhizibeixiyindaobomolingyicededianjiyuyangfenzijiehe。dianjiezhibomoliangcededianjibanjiangqingqichaifenchengqinglizi（正電）和電子、將氧氣拆分成氧離子（負電）和he電dian子zi，電dian子zi在zai電dian極ji板ban之zhi間jian形xing成cheng電dian流liu
，兩liang個ge氫qing離li子zi和he一yi個ge氧yang離li子zi結jie合he成cheng為wei純chun水shui
，是shi反fan應ying的de廢fei物wu。所suo以yi本ben質zhi來lai講jiang，整zheng個ge運yun行xing過guo程cheng就jiu是shi發fa電dian過guo程cheng。因yin此ciMirai是純電動車

，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114qianwadefadiangonglv。ciqianwomenyefenxiledazhongjituanderanliaodianchijishu
，jiegoujibenleisi。fengtianderanliaodianchiduizhanjinglileshijiniandejishuyouhua

，xingchenglezijidetesejiegou
，biru3D立li體ti微wei流liu道dao技ji術shu
，通tong過guo更geng好hao地di排pai出chu副fu產chan物wu水shui


，讓rang更geng多duo空kong氣qi流liu入ru，有you效xiao改gai善shan了le發fa電dian效xiao率lv。所suo以yi整zheng個ge堆dui棧zhan的de發fa電dian效xiao率lv達da到dao了le世shi界jie先xian進jin水shui平ping，達da到dao了le3.1千瓦/升，比2008年豐田的技術整整提升了2.2倍。

Mirai燃料電池堆棧技術迭代

由於燃料電池堆棧中每片電池發電的電壓大約在0.6V-0.8V之間

，整體也不會超過300V電壓，所以為了更好驅動電動機，還需要安裝一個升壓器，將電壓提升到650V。

燃料電池迭代

700個大氣壓下儲存氫氣

了le解jie氫qing氣qi物wu理li特te性xing的de人ren都dou清qing楚chu
，氫qing氣qi跟gen汽qi油you不bu同tong
，常chang溫wen下xia氫qing氣qi是shi氣qi體ti，密mi度du非fei常chang低di並bing且qie非fei常chang難nan液ye化hua，常chang溫wen下xia更geng是shi無wu法fa液ye化hua，所suo以yi氫qing氣qi要yao安an全quan儲chu藏zang和he運yun輸shu並bing不bu容rong易yi。所suo以yi氫qing氣qi無wu法fa像xiang汽qi油you那na樣yang直zhi接jie注zhu入ru普pu通tong油you箱xiang裏li。豐feng田tian設she計ji了le一yi大da一yi小xiao兩liang個ge儲chu氫qing罐guan，通tong過guo高gao壓ya的de方fang式shi盡jin可ke能neng多duo充chong入ru一yi些xie氫qing氣qi。以yi目mu前qian的de主zhu流liu儲chu存cun技ji術shu，豐feng田tian選xuan用yong了le700Mpa也就是700個大氣壓的高壓儲氣罐
，類似我們常見的“煤氣罐”，隻不過罐體更厚重。兩個儲氫罐一共的容量是122.4升
，采用700個大氣壓儲存，也隻能容納約5公斤的氫氣。所以實際上燃料的重量並不大，反而儲氫罐特別笨重。

氫氣儲存性能

為了在承受700gedaqiyadeqiantixiarengjiubaochixingshianquanxing，womenkedoubuxiwangzuozailianggezhadanshangmiankaicheba
？suoyichuqingguanbeishejichengsicengjiegou，lvhejindeguantineibuchenyousuliaoneidan，waimianbaoguoyicengtanxianweiqianghuasuliaodebaohuceng，baohucengwaicezaizengjiayicengbolixianweicailiaodejianzhenbaohuceng，bingqiemeiyicengdexianweiwenludougenjusuochuguanshenweizhibutongerzuoleewaideyouhua
，shixianweishunzheyalifenbudefangxiang，tishengbaohucengdexiaoguo。

燃料電池堆棧+鎳氫電池混合動力

直接驅動Mirai車輪的電動機功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當於一輛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，Mirai後軸上方布置的1.6千瓦時的鎳氫電池組也有著非常重要的作用——動力電池+儲(chu)能(neng)電(dian)池(chi)。這(zhe)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)基(ji)本(ben)上(shang)跟(gen)凱(kai)美(mei)瑞(rui)混(hun)動(dong)的(de)電(dian)池(chi)完(wan)全(quan)一(yi)樣(yang)，在(zai)整(zheng)車(che)負(fu)載(zai)低(di)的(de)時(shi)候(hou)可(ke)以(yi)單(dan)獨(du)用(yong)它(ta)供(gong)電(dian)帶(dai)動(dong)車(che)輛(liang)前(qian)進(jin)

，與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(dui)棧(zhan)發(fa)出(chu)來(lai)的(de)電(dian)可(ke)以(yi)給(gei)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)，用(yong)鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)充(chong)當(dang)一(yi)個(ge)“緩存”；

燃料電池汽車工作原理

當dang車che輛liang有you更geng大da的de動dong力li需xu求qiu的de時shi候hou
，鎳nie氫qing電dian池chi組zu很hen快kuai就jiu會hui耗hao光guang，所suo以yi這zhe時shi候hou燃ran料liao電dian池chi堆dui棧zhan就jiu直zhi接jie向xiang電dian動dong機ji輸shu電dian
，跟gen鎳nie氫qing電dian池chi組zu實shi現xian雙shuang重zhong供gong電dian來lai滿man足zu需xu求qiu

；當車輛減速行駛的時候
，電動機轉化為發電機來回收動能，電量直接輸送到鎳氫電池組內儲存起來。

小結：

縱zong觀guan氫qing燃ran料liao電dian池chi整zheng個ge運yun行xing過guo程cheng中zhong
，除chu了le消xiao耗hao氫qing氣qi和he空kong氣qi之zhi外wai，沒mei有you其qi他ta的de能neng源yuan消xiao耗hao，沒mei有you加jia油you也ye沒mei有you充chong電dian。相xiang比bi純chun電dian動dong車che而er言yan
，目mu前qian充chong電dian最zui快kuai的de特te斯si拉laModel S的超級充電站也需要1.25小時才能充滿電量。氫氣加注的速度則更快
，僅需3分鍾即可充滿兩個儲氫罐
，並且超過600公(gong)裏(li)的(de)續(xu)航(hang)裏(li)程(cheng)甚(shen)至(zhi)比(bi)普(pu)通(tong)汽(qi)油(you)車(che)更(geng)優(you)越(yue)。雖(sui)然(ran)現(xian)在(zai)加(jia)氫(qing)站(zhan)還(hai)是(shi)極(ji)度(du)罕(han)見(jian)，但(dan)是(shi)普(pu)通(tong)加(jia)油(you)站(zhan)改(gai)造(zao)成(cheng)加(jia)氫(qing)站(zhan)的(de)成(cheng)本(ben)要(yao)遠(yuan)低(di)於(yu)改(gai)造(zao)成(cheng)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)站(zhan)的(de)成(cheng)本(ben)。因(yin)此(ci)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)預(yu)計(ji)，如(ru)果(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)車(che)能(neng)在(zai)成(cheng)本(ben)控(kong)製(zhi)上(shang)取(qu)得(de)突(tu)破(po)，實(shi)際(ji)上(shang)市(shi)場(chang)空(kong)間(jian)會(hui)比(bi)純(chun)電(dian)動(dong)車(che)更(geng)大(da)。