5月11日,，李克強(qiáng)總理參觀了位于北海道的日本豐田汽車旗下工廠,。當(dāng)看到某款新能源汽車時(shí),，李克強(qiáng)總理臉色凝重。
這是什么車,？為什么李克強(qiáng)總理如此嚴(yán)肅,？
李克強(qiáng)總理看的這款車，就是豐田汽車的氫燃料電池轎車Mirai（日文“未來”之意）,。
“Mirai”是豐田首款量產(chǎn)的氫燃料電池車,。如其名,，Mirai被豐田汽車視為“未來之車”。
Mirai在行駛過程中不加油,、不充電,、不排放尾氣，唯一排放的廢物是純凈水,！
Mirai代表著未來,，一個(gè)真正節(jié)能而環(huán)保的汽車時(shí)代,。
那么這一切都是如何實(shí)現(xiàn)的呢,？
Mirai的工作原理，通過電解水制氫,，再把氫氣加入車內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為車提供動(dòng)力,。
技術(shù)將夢想變成現(xiàn)實(shí)
“燃料電池”這四個(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)市場的成熟技術(shù)。
而在四年以前,，豐田就已放出豪言說已經(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。這是首次投放市場的量產(chǎn)燃料電池車,。
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,。
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650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器使用的備用能源之一。
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,。
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。
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,。
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。
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。
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”,；
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)際上市場空間會(huì)比純電動(dòng)車更大,。
綜合：搜狐網(wǎng)，電動(dòng)邦
發(fā)表于 2018-5-21 15:26:35
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