天外黑科技 宇宙黑科技是怎样炼成的？详解丰田燃料电池技术

丰田Mirai结构图丰田Mirai未来组合结构图

布置在驾驶舱底部的燃料电池堆是整个系统的核心，本文将对其进行重点分析。车身后桥上放置一个镍氢电池组和两个高压储氢罐。是的，没有油箱和大面积锂离子电池。Mirai未来组合唯一需要消耗的“燃料”是氢气，它可以连续运行650公里，无需加油或充电。还有为什么要在标题里说燃料电池是“宇宙黑技术”？那是因为氢是宇宙中最丰富的成分，它在地球上的储量也是最丰富的。氢在燃料电池空气体中与氧结合，唯一排出的“废物”就是纯水！因此，氢燃料电池一直被视为“外星技术”，是最适合空间站或空间探测器的备用能源之一。

丰田Mirai核心结构布置图丰田Mirai未来组合核心结构布局

燃料电池的工作原理

虽然燃料电池的名字里有“燃料”这个词，氢可以和氧一起剧烈燃烧，但是在燃料电池中，它不是利用燃烧来获得能量，而是利用氢和氧发生化学反应时的电荷转移来形成电流。这一过程中最关键的技术是使用一种特殊的“电解质膜”来分离氢气。整个过程可以理解为蚊子不能穿过纱窗，但较小的灰尘可以...电解质膜也是燃料电池领域最困难的技术壁垒。

燃料电池堆栈外部细节及主要参数燃料电池堆的外部细节和主要参数

因为氢分子体积小，可以穿过薄膜的小孔向对面解离。但在通过空穴的过程中，电子从分子中被剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到膜另一侧的电极上，与氧分子结合。电解质膜两侧的电极板将氢分离成氢离子和电子，将氧分离成氧离子和电子。电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合形成纯水，是反应的浪费。所以本质上，整个运营过程就是发电过程。因此，Mirai未来组合是一款纯电动汽车，燃料电池堆取代了笨重低效的锂离子电池组。

丰田2008年燃料电池2008年丰田燃料电池

丰田Mirai的燃料电池创新丰田Mirai未来组合的燃料电池创新

丰田Mirai未来组合公司搭载的燃料电池堆由370个薄燃料电池组成，因此被称为“电池组”，可输出114千瓦的发电量。之前我们也分析了大众集团的燃料电池技术，结构基本相似。丰田的燃料电池堆经历了十几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D微通道技术，通过更好的排放副产物水，让更多的空气体流入，有效提高了发电效率。所以整个栈的发电效率已经达到世界先进水平，达到3.1 kW/L，比2008年丰田的技术高2.2倍。

燃料电池迭代燃料电池迭代

氢气储存在700个大气压下

知道氢的物理特性的人都知道氢和汽油不一样。氢气在常温下是气体，密度很低，很难液化，在常温下也不可能液化，所以氢气不容易安全储存和运输。所以氢气不能像汽油一样直接喷入普通油箱。丰田设计了两个储氢罐，一大一小，通过高压充入尽可能多的氢气。以目前主流的储气技术，丰田选择了700Mpa的高压储气罐，除了罐比较厚之外，和我们常见的“储气罐”差不多。两个储氢罐的总容量为122.4升，在700个大气压下储存只能容纳约5千克氢气。所以其实燃料并不重，但是储氢罐特别重。

燃料电池汽车工作原理燃料电池汽车的工作原理

当车辆有较大的动力需求时，镍氢电池组很快就会耗尽，所以此时燃料电池堆将直接向电机传递动力，实现与镍氢电池组的双电源供电，以满足需求；车辆减速时，电机转换成发电机回收动能，电能直接输送到镍氢电池组储存。

电气状态总结:

在整个氢燃料电池运行过程中，除了氢气和空气体外，没有其他能源消耗，没有加油，也没有充电。相比纯电动汽车，目前充电最快的特斯拉S型超级充电站，充电满需要1.25小时。氢气的加注速度更快，只需要3分钟就可以加满两个储氢罐，600多公里的续航里程甚至优于普通汽油车。虽然现在换氢站极其少见，但是普通加油站改造成换氢站的成本比改造成快充站的成本低很多。所以我们可以预测，如果燃料电池汽车能够在成本控制上有所突破，那么市场空实际上会比纯电动汽车更大。