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詳解豐田Mirai:氫燃料電池動力

2018-07-05 來自:電動邦

        不加油、不充電、不排放尾氣,唯一排放的廢物是純凈水!會有這樣的車存在嗎?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現的呢?
        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”這四個字想必大家或多或少都聽說過,因為這是全世界科學家研究了數十年的技術,始終沒有取得重大的技術突破,至少是沒有誰能夠拿得出成本適合消費級市場的成熟技術。
        而在不到一年前,豐田就放出豪言說已經在燃料電池領域取得了技術突破,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。
       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的動力系統被稱作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系統。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制單元。
        在駕駛艙底部布置著的燃料電池堆棧是整套系統的核心,本文也將著重點筆墨來對其做出解析。在車身后橋部分放置著一個鎳氫動力電池組和前后兩個高壓儲氫罐,沒錯,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?那是因為氫元素是宇宙中最豐富的成分,氫元素在地球上儲量也是最豐富的,而氫氣在燃料電池中跟空氣中的氧氣結合,排出的唯一“廢物”是純凈水!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。
        燃料電池工作原理
        雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣,同時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反應過程中的電荷轉移來形成電流的,這一過程最關鍵的技術就是利用特殊的“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。
        因為氫分子體積小,可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去,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子通過,氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。電解質薄膜兩側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(負電)和電子,電子在電極板之間形成電流,兩個氫離子和一個氧離子結合成為純水,是反應的廢物。所以本質來講,整個運行過程就是發電過程。因此Mirai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114千瓦的發電功率。此前我們也分析了大眾集團的燃料電池技術,結構基本類似。豐田的燃料電池堆棧經歷了十幾年的技術優化,形成了自己的特色結構,比如3D立體微流道技術,通過更好地排出副產物水,讓更多空氣流入,有效改善了發電效率。所以整個堆棧的發電效率達到了世界先進水平,達到了3.1千瓦/升,比2008年豐田的技術整整提升了2.2倍。
        由于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。
 
        700個大氣壓下儲存氫氣
        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,所以氫氣要安全儲藏和運輸并不容易。所以氫氣無法像汽油那樣直接注入普通油箱里。豐田設計了一大一小兩個儲氫罐,通過高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲存技術,豐田選用的是70Mpa也就是700個大氣壓的高壓儲氣罐,類似我們常見的“煤氣罐”,只不過罐體更厚重。兩個儲氫罐一共的容量是122.4升,采用700個大氣壓儲存,也只能容納約5公斤的氫氣。所以實際上燃料的重量并不大,反而儲氫罐特別笨重。
        為了在承受700個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炸彈上面開車吧?所以儲氫罐被設計成四層結構,鋁合金的罐體內部襯有塑料內膽,外面包裹一層碳纖維強化塑料的保護層,保護層外側再增加一層玻璃纖維材料的減震保護層,并且每一層的纖維紋路都根據所處罐身位置不同而做了額外的優化,使纖維順著壓力分布的方向,提升保護層的效果。
        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,基本相當于一輛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后軸上方布置的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+儲能電池。這個電池組基本上跟凱美瑞混動的電池完全一樣,在整車負載低的時候可以單獨用它供電帶動車輛前進,與此同時燃料電池堆棧發出來的電可以給電池充電,用鎳氫電池充當一個“緩存”;
        當車輛有更大的動力需求的時候,鎳氫電池組很快就會耗光,所以這時候燃料電池堆棧就直接向電動機輸電,跟鎳氫電池組實現雙重供電來滿足需求;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:
        縱觀氫燃料電池整個運行過程中,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。相比純電動車而言,目前充電最快的特斯拉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分鐘即可充滿兩個儲氫罐,并且超過600公里的續航里程甚至比普通汽油車更優越。
       雖然現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低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預計,如果燃料電池車能在成本控制上取得突破,實際上市場空間會比純電動車更大。
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