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豐田燃料電池技術深度剖析

豐田燃料電池技術深度剖析

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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。那麼這一切都是如何實現的呢?

隨著石油資源的不斷消耗,傳統燃料汽車在未來將被新能源取代已成定局。而要說到在新能源汽車領域誰最有發言權,相信不少人都同筆者一樣第一個想到的便是豐田;已經量產並推出了數代的普銳斯雖然依然在燒油,但不可否認其對於新能源車研發的意義是相當巨大。而此次豐田為我們帶來的Mirai氫燃料電池車則是將未來汽車直接具象化的呈現在了我們的眼前。

與目前國內炙手可熱的純電動車相比,氫燃料電池具有能量密度更高(單位體積下約為傳統電池的7倍)、加註更快捷等優勢。而且從目前的發電結構來看,氫燃料電池對於環境保護的意義更是遠不止減少一輛車的碳排放這麼簡單。

說回Mirai,作為一款量產的氫燃料電池車,它與我們之前所見到的氫動力車又有什麼區別呢?其實這個問題很簡單,氫燃料電池車是通過氫來產生電能,最終驅動車輛的是電動機;而之前亮相過的氫動力車(如BMW 7系氫動力版)則是通過以氫為燃料的內燃機直接驅動車輛。

了解了Mirai出現的意義,那麼這台車到底是怎麼工作的呢?簡單來說,Mirai的驅動方式就是通過氫與氧在燃料電池堆發生反應,產生出電能來帶動電動機,最終驅動車輛行駛。聽起來似乎很簡單?相信你在了解這套系統的各部分構成后就不會這麼想了。

因為氫分子體積小,可以透過薄膜的微小孔洞遊離到對面去,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。

豐田2008年燃料電池

豐田Mirai的燃料電池創新

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。

作為氫燃料電池車,首先要考慮的肯定是氫燃料的存儲安全。我們可以看到在這方面豐田確實下了很大的功夫,兩個特製的儲氣罐最大可承受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,當然相信也很少有人會對Mirai下此毒手。

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,並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,使纖維順著壓力分佈的方向,提升保護層的效果。

在新一代燃料電池系統中,發出的電能還需要經過升壓變頻器的升壓才能供給電動機使用,最終輸出電壓由2008年款燃料電池的250V上升到了650V。從其發電功率來看,正好可以滿足電動機的最大輸出需求。

最大功率113kW、峰值扭矩335N·m的電動機來自雷克薩斯RX450h,這套動力總成帶動Mirai超過1.8噸的車身雖然算不上很充沛,但絕對能滿足日常使用;而試想一下,真正購買這台車的車主,又有幾個會開著它進行激烈駕駛呢?

氫燃料電池相比我們目前常見的純電動車主要優勢有兩個:首先,其加註燃料的所需時間與普通汽油車加油差不多,比起電動車充電可真的快了不是一點半點。第二,氫燃料電池這種驅動方式的續航水平明顯要強於搭載相同體積電池組的純電動車。

Mirai還有一個獨門秘籍,那就是藉助車上的電源插口,它可以瞬間變身大號的「充電寶」,而它充電的對象可不局限於那些電子產品,簡單來說,即便是家裡停電了,藉助它也能使各種家用電器保持一定時間的正常運行。

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呢?其實單從一輛中型轎車的設計角度來說,它顯然已經足夠吸引人們的眼球了。

豐田的設計師和工程師們或許是覺得氫燃料電池車已經不適用於傳統汽油車的平庸外形,所以決定在Mirai身上採用毫不妥協的前衛設計。從細長的頭燈開始,就註定了它的不同凡響。懸浮式車型、左右連貫式尾燈等近來十分流行的設計元素都在Mirai身上一一呈現。單從外觀來說,這台車可謂是「貌不驚人死不休」。

單看Mirai內飾的任何一部分,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車型,但其設計的妙處就在於將這些熟悉的元素整合起來的同時,展現了前所未有的新鮮感。當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釋放電能后,所產生的排放物是水;那麼作為液態的排放物,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。在這台豐田Mirai的車內我們看到了一個標著「H2O」字樣的按鍵,按下它便可通過車尾的管路排出水,當然我們也希望看到如果氫燃料能普及,在大街上能出現回收這些水的裝置。

豐田Mirai駕駛起來與一輛普通中級車差別不大,動力部分的體驗則與純電動車比較類似。雖然它扣著諸多高科技的光環,但真正駕駛的時候你會覺得它還是很平易近人的,所以完全不用因為是新能源車就對它區別對待。

目前這款車已經開始在日本本土銷售,其售價約合人民幣38萬元,減去各種減免的稅費,售價也達到了合人民幣26萬元,與傳統的中型車甚至中大型車相比沒有優勢。而在氫燃料的花費方面,目前日本本土燃料氫價格約為1000日元/千克,未來還有降低的可能性,可見其使用成本並不高昂;而實際上阻礙其發展的其實是稀少的加氫站數量。

總結

氫燃料電池車的量產為我們打開了一扇未來交通解決方案的大門,與各大國內廠商趨之若鶩的純電動車相比,氫燃料電池車的優勢十分明顯;電動車充電時間過長和續航里程過短這兩個短板都被氫燃料電池車完美解決,而從這個角度來看,或許Mirai所展現的才是未來汽車真正的雛形。來源: 一覽眾車

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