豐田燃料電池技術(shù)深度剖析

不加油、不充電、不排放尾氣，唯一排放的廢物是純凈水!會(huì)有這樣的車存在嗎?答案是肯定的!豐田Mirai就是這樣一輛車。那么這一切都是如何實(shí)現(xiàn)的呢?

隨著石油資源的不斷消耗，傳統(tǒng)燃料汽車在未來將被新能源取代已成定局。而要說到在領(lǐng)域誰最有發(fā)言權(quán)，相信不少人都同筆者一樣第一個(gè)想到的便是豐田;已經(jīng)量產(chǎn)并推出了數(shù)代的普銳斯雖然依然在燒油，但不可否認(rèn)其對(duì)于研發(fā)的意義是相當(dāng)巨大。而此次豐田為我們帶來的Mirai氫車則是將未來汽車直接具象化的呈現(xiàn)在了我們的眼前。

與目前國(guó)內(nèi)炙手可熱的純電動(dòng)車相比，氫燃料電池具有能量密度更高(單位體積下約為傳統(tǒng)電池的7倍)、加注更快捷等優(yōu)勢(shì)。而且從我國(guó)目前的發(fā)電結(jié)構(gòu)來看，氫燃料電池對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意義更是遠(yuǎn)不止減少一輛車的碳排放這么簡(jiǎn)單。

說回Mirai，作為一款量產(chǎn)的氫燃料電池車，它與我們之前所見到的氫動(dòng)力車又有什么區(qū)別呢?其實(shí)這個(gè)問題很簡(jiǎn)單，氫燃料電池車是通過氫來產(chǎn)生電能，最終驅(qū)動(dòng)車輛的是電動(dòng)機(jī);而之前亮相過的氫動(dòng)力車(如BMW 7系氫動(dòng)力版)則是通過以氫為燃料的內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛。

了解了Mirai出現(xiàn)的意義，那么這臺(tái)車到底是怎么工作的呢?簡(jiǎn)單來說，Mirai的驅(qū)動(dòng)方式就是通過氫與氧在燃料電池堆發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生出電能來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，最終驅(qū)動(dòng)車輛行駛。聽起來似乎很簡(jiǎn)單?相信你在了解這套系統(tǒng)的各部分構(gòu)成后就不會(huì)這么想了。

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。

豐田2008年燃料電池

豐田Mirai的創(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。

作為氫燃料電池車，首先要考慮的肯定是氫燃料的存儲(chǔ)安全。我們可以看到在這方面豐田確實(shí)下了很大的功夫，兩個(gè)特制的儲(chǔ)氣罐最大可承受70兆帕的壓力;而碳纖維+凱夫拉(防彈衣面料)外殼的使用足以抵擋輕型武器的攻擊，當(dāng)然相信也很少有人會(huì)對(duì)Mirai下此毒手。

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。

在新一代系統(tǒng)中，發(fā)出的電能還需要經(jīng)過升壓變頻器的升壓才能供給電動(dòng)機(jī)使用，最終輸出電壓由2008年款燃料電池的250V上升到了650V。從其發(fā)電功率來看，正好可以滿足電動(dòng)機(jī)的最大輸出需求。

最大功率113kW、峰值扭矩335N·m的電動(dòng)機(jī)來自雷克薩斯RX450h，這套動(dòng)力總成帶動(dòng)Mirai超過1.8噸的車身雖然算不上很充沛，但絕對(duì)能滿足日常使用;而試想一下，真正購買這臺(tái)車的車主，又有幾個(gè)會(huì)開著它進(jìn)行激烈駕駛呢?

氫燃料電池相比我們目前常見的純電動(dòng)車主要優(yōu)勢(shì)有兩個(gè)：首先，其加注燃料的所需時(shí)間與普通汽油車加油差不多，比起電動(dòng)車充電可真的快了不是一點(diǎn)半點(diǎn)。第二，氫燃料電池這種驅(qū)動(dòng)方式的續(xù)航水平明顯要強(qiáng)于搭載相同體積電池組的純電動(dòng)車。

Mirai還有一個(gè)獨(dú)門秘籍，那就是借助車上的電源插口，它可以瞬間變身大號(hào)的“充電寶”，而它充電的對(duì)象可不局限于那些電子產(chǎn)品，簡(jiǎn)單來說，即便是家里停電了，借助它也能使各種家用電器保持一定時(shí)間的正常運(yùn)行。

作為一款商品，豐田Mirai除了諸多值得炫耀的“黑科技”，還有哪些吸引潛在用戶的特點(diǎn)呢?其實(shí)單從一輛中型轎車的設(shè)計(jì)角度來說，它顯然已經(jīng)足夠吸引人們的眼球了。

豐田的設(shè)計(jì)師和工程師們或許是覺得氫車已經(jīng)不適用于傳統(tǒng)汽油車的平庸外形，所以決定在Mirai身上采用毫不妥協(xié)的前衛(wèi)設(shè)計(jì)。從細(xì)長(zhǎng)的頭燈開始，就注定了它的不同凡響。懸浮式車型、左右連貫式尾燈等近來十分流行的設(shè)計(jì)元素都在Mirai身上一一呈現(xiàn)。單從外觀來說，這臺(tái)車可謂是“貌不驚人死不休”。

單看Mirai內(nèi)飾的任何一部分，恐怕熟悉豐田和雷克薩斯的朋友都能說出這一部分是出自哪款傳統(tǒng)車型，但其設(shè)計(jì)的妙處就在于將這些熟悉的元素整合起來的同時(shí)，展現(xiàn)了前所未有的新鮮感。當(dāng)然這種新鮮感也是為了襯托出這款氫燃料電池車的與眾不同。

氫燃料通過氧化反應(yīng)釋放電能后，所產(chǎn)生的排放物是水;那么作為液態(tài)的排放物，解決“排在哪”的問題也就成了工程師們需要考慮的問題之一。在這臺(tái)豐田Mirai的車內(nèi)我們看到了一個(gè)標(biāo)著“H2O”字樣的按鍵，按下它便可通過車尾的管路排出水，當(dāng)然我們也希望看到如果氫燃料能普及，在大街上能出現(xiàn)回收這些水的裝置。

豐田Mirai駕駛起來與一輛普通中級(jí)車差別不大，動(dòng)力部分的體驗(yàn)則與純電動(dòng)車比較類似。雖然它扣著諸多高科技的光環(huán)，但真正駕駛的時(shí)候你會(huì)覺得它還是很平易近人的，所以完全不用因?yàn)槭蔷蛯?duì)它區(qū)別對(duì)待。

目前這款車已經(jīng)開始在日本本土銷售，其售價(jià)約合人民幣38萬元，減去各種減免的稅費(fèi)，售價(jià)也達(dá)到了合人民幣26萬元，與傳統(tǒng)的中型車甚至中大型車相比沒有優(yōu)勢(shì)。而在氫燃料的花費(fèi)方面，目前日本本土燃料氫價(jià)格約為1000日元/千克，未來還有降低的可能性，可見其使用成本并不高昂;而實(shí)際上阻礙其發(fā)展的其實(shí)是稀少的加氫站數(shù)量。

總結(jié)

氫燃料電池車的量產(chǎn)為我們打開了一扇未來交通解決方案的大門，與各大國(guó)內(nèi)廠商趨之若鶩的純電動(dòng)車相比，氫燃料電池車的優(yōu)勢(shì)十分明顯;電動(dòng)車充電時(shí)間過長(zhǎng)和續(xù)航里程過短這兩個(gè)短板都被氫燃料電池車完美解決，而從這個(gè)角度來看，或許Mirai所展現(xiàn)的才是未來汽車真正的雛形。