燃料電池工作原理
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。相比純電動車而言，目前充電最快的特斯拉ModelS的超級充電站也需要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)際上市場空間會比純電動車更大。
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，整體也不會超過300V電壓，所以為了更好驅(qū)動電動機(jī)，還需要安裝一個(gè)升壓器，將電壓提升到650V。
700個(gè)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(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(shù)，豐田選用了700Mpa也就是700個(gè)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(gè)儲氫罐一共的容量是122.4升，采用700個(gè)大氣壓儲存，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。
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。相比純電動車而言，目前充電最快的特斯拉ModelS的超級充電站也需要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)際上市場空間會比純電動車更大。
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