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(cong)100萬美元降到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”ne
？nashiyinweiqingyuansushiyuzhouzhongzuifengfudechengfen，qingyuansuzaidiqiushangchuliangyeshizuifengfude

，erqingqizairanliaodianchizhonggenkongqizhongdeyangqijiehe，paichudeweiyi“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”ziyang，tongshiqingqiyenenggougenyangqizaiyiqijulieranshao，danzairanliaodianchiquebushiliyongranshaolaihuoqunengliang
，ershiliyongqingqigenyangqihuaxuefanyingguochengzhongdedianhezhuanyilaixingchengdianliude
，zheyiguochengzuiguanjiandejishujiushiliyongteshude“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

因(yin)為(wei)氫(qing)分(fen)子(zi)體(ti)積(ji)小(xiao)，可(ke)以(yi)透(tou)過(guo)薄(bo)膜(mo)的(de)微(wei)小(xiao)孔(kong)洞(dong)遊(you)離(li)到(dao)對(dui)麵(mian)去(qu)，但(dan)是(shi)在(zai)穿(chuan)越(yue)孔(kong)洞(dong)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)

，電(dian)子(zi)被(bei)從(cong)分(fen)子(zi)上(shang)剝(bo)離(li)
，隻(zhi)留(liu)下(xia)帶(dai)正(zheng)電(dian)的(de)氫(qing)質(zhi)子(zi)通(tong)過(guo)，氫(qing)質(zhi)子(zi)被(bei)吸(xi)引(yin)到(dao)薄(bo)膜(mo)另(ling)一(yi)側(ce)的(de)電(dian)極(ji)與(yu)氧(yang)分(fen)子(zi)結(jie)合(he)。電(dian)解(jie)質(zhi)薄(bo)膜(mo)兩(liang)側(ce)的(de)電(dian)極(ji)板(ban)將(jiang)氫(qing)氣(qi)拆(chai)分(fen)成(cheng)氫(qing)離(li)子(zi)（正電）和電子
、將氧氣拆分成氧離子（負電）hedianzi，dianzizaidianjibanzhijianxingchengdianliu，lianggeqingliziheyigeyanglizijiehechengweichunshui，shifanyingdefeiwu。suoyibenzhilaijiang

，zhenggeyunxingguochengjiushifadianguocheng。yinciMirai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114千(qian)瓦(wa)的(de)發(fa)電(dian)功(gong)率(lv)。此(ci)前(qian)我(wo)們(men)也(ye)分(fen)析(xi)了(le)大(da)眾(zhong)集(ji)團(tuan)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)，結(jie)構(gou)基(ji)本(ben)類(lei)似(si)。豐(feng)田(tian)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(dui)棧(zhan)經(jing)曆(li)了(le)十(shi)幾(ji)年(nian)的(de)技(ji)術(shu)優(you)化(hua)，形(xing)成(cheng)了(le)自(zi)己(ji)的(de)特(te)色(se)結(jie)構(gou)，比(bi)如(ru)3D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(le)3.1千瓦/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(le)700Mpa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700個ge大da氣qi壓ya的de前qian提ti下xia仍reng舊jiu保bao持chi行xing駛shi安an全quan性xing，我wo們men可ke都dou不bu希xi望wang坐zuo在zai兩liang個ge炸zha彈dan上shang麵mian開kai車che吧ba？所suo以yi儲chu氫qing罐guan被bei設she計ji成cheng四si層ceng結jie構gou，鋁lv合he金jin的de罐guan體ti內nei部bu襯chen有you塑su料liao內nei膽dan，外wai麵mian包bao裹guo一yi層ceng碳tan纖xian維wei強qiang化hua塑su料liao的de保bao護hu層ceng
，保bao護hu層ceng外wai側ce再zai增zeng加jia一yi層ceng玻bo璃li纖xian維wei材cai料liao的de減jian震zhen保bao護hu層ceng
，並bing且qie每mei一yi層ceng的de纖xian維wei紋wen路lu都dou根gen據ju所suo處chu罐guan身shen位wei置zhi不bu同tong而er做zuo了le額e外wai的de優you化hua，使shi纖xian維wei順shun著zhe壓ya力li分fen布bu的de方fang向xiang，提ti升sheng保bao護hu層ceng的de效xiao果guo。

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(la)Model 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)。