宇宙黑科技的起源，丰田燃料电池车详解

无需加油，无需充电，无废气排放，唯一排放的废物就是纯净水！这样的车存在吗？答案是肯定的！丰田 Mirai 就是这样一款车。

那么这是怎么发生的呢？ 丰田Mirai燃料电池汽车 不久前，丰田正式推出了燃料电池汽车Mirai（译：未来），直接与纯电动汽车竞争。

大家肯定都或多或少听说过“燃料电池”这个词，因为这是一项全世界科学家研究了数十年的技术，但一直没有重大技术突破，至少没有人能拿出来成本。

技术成熟，适合消费市场。

不到一年前，丰田宣布在燃料电池领域取得技术突破，可将车用燃料电池成本从1万美元降低至5万美元，降幅高达95%！不到一年的时间，丰田就兑现了 Mirai 的承诺。

虽然Mirai目前的售价约为38万元，但要知道这是首款投放市场的量产燃料电池汽车。

丰田Mirai的核心结构诠释了宇宙黑科技的起源。

丰田Mirai的结构与传统汽油车或纯电动车不同。

如果我们坚持寻找类似的结构，丰田最畅销的普锐斯可能与 Mirai 略有相似。

它的结构。

Mirai的动力系统称为TFSC（Toyota FC Stack），即丰田的燃料电池堆。

它是以燃料电池堆为核心部件的混合动力系统。

TFSC 没有传统的汽油发动机或变速箱。

发动机舱内装有电动机和电动机的控制单元。

丰田Mirai结构图布置在座舱底部的燃料电池堆是整个系统的核心。

本文也将重点对其进行分析。

车身后轴上安置有镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐。

是的，没有油箱，也没有大面积锂离子电池。

Mirai唯一需要消耗的“燃料”是氢气，无需加油。

充电一下，补充5公斤氢气，就可以连续跑公里！而为什么在标题中说燃料电池是“宇宙黑科技”呢？那是因为氢是宇宙中最丰富的成分，氢也是地球上最丰富的成分。

当氢气在燃料电池中与空气中的氧气结合时，排出的唯一“废物”就是纯净水！因此，氢燃料电池一直被认为是“外星技术”，是空间站或太空探测器最合适的备用能源之一。

丰田Mirai核心结构布局图 燃料电池是如何工作的 虽然燃料电池的名字里有“燃料”二字，而且氢气也可以与氧气发生剧烈燃烧，但是燃料电池并不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢和氧在化学反应过程中电荷转移形成电流。

这个过程中最关键的技术是利用特殊的“电解质膜”来分解氢气。

整个过程可以理解为蚊子无法穿过纱窗，但较小的灰尘可以。

...电解质膜也是燃料电池领域最难克服的技术障碍。

燃料电池堆的外部细节和主要参数。

燃料电池堆的外部细节和主要参数。

由于氢分子尺寸很小，它们可以通过薄膜上的小孔移动到另一侧。

然而，在穿过孔的过程中，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与氧分子结合。

电解质膜两侧的电极板将氢分裂成氢离子（正电）和电子，将氧分裂成氧离子（负电）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成为纯水，这是反应的废物。

所以从本质上来说，整个运行过程就是发电过程。

因此，Mirai是一款纯电动汽车，燃料电池堆取代了笨重且低效的锂离子电池组。

丰田Mirai的燃料电池创新 丰田Mirai搭载的燃料电池堆由薄型燃料电池组成，因此被称为“电堆”，总共可以输出千瓦的发电量。

之前我们也分析过大众集团的燃料电池技术，结构基本类似。

丰田的燃料电池电堆经过十多年的技术优化，形成了自己独特的结构，如3D立体微通道技术，通过更好地排出副产水、让更多的空气进入，有效提高发电效率。

因此，整个电堆的发电效率达到了世界先进水平，达到了3.1千瓦/升，比丰田2016年的技术足足提升了2.2倍。

Mirai燃料电池电堆技术迭代以来，产生的电压燃料电池堆中每个电池的电压约为0.6V-0.8V，整体电压不会超过V电压，因此为了更好地驱动电机，需要安装升压器。

将电压提升至 V。

燃料电池迭代以在大气压下储存氢气。

了解氢气物理性质的人都知道氢气与汽油不同。

氢气在室温下是气体。

它的密度非常低，很难液化。

氢气在常温下不能液化，因此必须安全储存和运输。

这并不容易。

因此，氢气不能像汽油一样直接注入普通油箱中。

丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压尽可能多地填充氢气。

凭借目前主流的储存技术，丰田选择了MPa，这是一种常压的高压储气罐，类似于我们常见的“储气罐”，只不过罐体较厚。

两个储氢罐的总容量为0.4升。

在一个大气压下储存时，它们只能容纳约 5 公斤的氢气。

所以其实燃料的重量并不大，但是储氢罐却特别笨重。

储氢性能为了在承受大气压的同时保持行车安全，我们不想在两枚炸弹上面行驶吧？因此，储氢罐设计为四层结构。

铝合金罐体内衬塑料内胆，外面包裹碳纤维增强塑料保护层。

在保护层的外侧，增加了一层玻璃纤维材料的减震保护层。

并且根据罐体位置对各层纤维织构进行了额外优化，使纤维遵循压力分布方向，提高了保护层的效果。

燃料电池堆+镍氢电池混合动力直接驱动Mirai车轮的电动机功率为千瓦，峰值扭矩为牛米，基本相当于2.0升自然吸气家用轿车的动力水平。

除了燃料电池堆发电之外，放置在Mirai后桥上方的1.6kWh镍氢电池组也发挥着非常重要的作用——动力电池+储能电池。

该电池组与凯美瑞混合动力电池基本相同。

当车辆负载较低时，可单独使用，提供动力驱动车辆前进。

同时，燃料电池堆发出的电可以给电池充电，使用镍氢电池作为A“缓存”；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直接将动力传输给电动机，这是与镍氢电池配合实现的。

-金属氢化物电池组双电源满足需求；当车辆减速时，电动机转换为发电机回收动能，并将电力直接传输至镍氢电池组进行存储。