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详解丰田Mirai:氢燃料电池动力

2018-07-05 来自:机关邦

        不加油、不充电、不排放尾气,唯一排放的废品是纯净水!会有这样的车存在吗?答案是确认的!丰田Mirai就是这样一辆车。这就是说这一切都是如何实现的呢?
        最近丰田正式发售了燃料电池汽车Mirai(片名:前途),直接与纯电动车进行竞争。“燃料电池”这四个字想必大家或多或少都听说过,因为这是全球科学家研究了底数十年之技能,前后没有取得重要的技能突破,至少是没有哪个能够拿得出资金适合消费级市场之成熟艺术。
        而在不到一年前,丰田就放出豪言说已经在燃料电池领域取得了艺术突破,可以行使车用燃料电池的资产从100万港元降到5万港元,强度高达95%!不到一年,丰田便用Mirai贯彻了豪言。虽然眼下Mirai的标价约合38万第纳尔,但要懂得这是第一投放市场之量产燃料电池车。
       天地黑科技之原由
       丰田Mirai的组织与俗的汽油车或者纯电动车都不一样,如果硬要找出一个类似之组织,可能丰田最畅销的普锐斯跟Mirai会有着一些线相似之组织吧。
        Mirai的带动力系统被称作TFSC(Toyota FC Stack),即丰田燃料电池堆栈,是以燃料电池堆栈为主干组件的混合动力系统。TFSC没有传统的柴油发动机,也没有变速器,动员机舱里面是电动机和电动机的左右单元。
        在客舱底部布置着的燃料电池堆栈是全方位系统之骨干,本文也将重点笔墨来对他作出解析。在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和未来后两个高压储氢罐,正确,没有油箱和大面积的锂离子电池,Mirai唯一需要消耗的“石材”就是氢气,无需加油也不用充电,加满5公斤氢气就足以继承跑上650米!
        而为什么要在题目中说燃料电池是“天地黑科技”呢?那是因为氢元素是大自然中最丰富的成份,氢元素在地球上储量也是最丰富的,而氢气在燃料电池中跟空气中的氧气结合,跳出的专门“垃圾”是纯净水!因此氢燃料电池一直把认为是“太空科技”,是最适宜宇宙空间站或者宇宙探测器使用的实用能源之一。
        燃料电池工作原理
        虽然燃料电池名字里面有“石材”字样,同时氢气也能够跟氧气在总共剧烈燃烧,但在燃料电池却不是采用燃烧来获取能量,而是采取氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的,这一过程最重要的技能就是运用特殊的“电解质薄膜”名将氢气拆分,全部过程可以知道成蚊子无法通过纱窗,但是更小的尘埃却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最棘手把打下的技能壁垒。
        因为氢分子体积小,可以透过薄膜的轻微孔洞游离到对面去,但是在通过孔洞的经过中,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过,氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、名将氧气拆分成氧离子(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淡水,是影响的废品。因此本质来讲,全部运行过程就是发电过程。故此Mirai是纯电动车,燃料电池堆栈代替的就是沉甸甸且充电效率低下的锂离子电池组。

        丰田Mirai满载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的,因此被称为“堆栈”,共计可以输出114千瓦的发电功率。先前我们也分析了群众集团的燃料电池技术,组织基本类似。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年之技能优化,形成了和睦之特性结构,比如3D立体微流道技术,穿过更好地排出副产物水,让更多空气流入,使得改善了发电效率。因此整个堆栈的发电效率达到了世道先进水平,抵达了3.1千瓦/升,比2008年丰田的技能整整提升了2.2倍。
        出于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间,总体也不会超过300V电压,因此为了更好驱动电动机,还要求安装一个升压器,名将电压提升到650V。
 
        700个大气压下储存氢气
        刺探氢气物理特性的人头都清楚,氢气跟汽油不同,气温下氢气是空气,零度非常低并且非常困难液化,气温下更是力不从心液化,因此氢气要安全储藏和运输并不容易。因此氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小两个储氢罐,穿过高压的方法尽可能多充入一些氢气。以目前的激流储存技术,丰田选用的是70Mpa也就是700个大气压的高压储气罐,类似我们广阔的“煤气罐”,只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的储量是122.4升,运用700个大气压储存,也只能容纳约5公斤的二氧化碳。因此实际上燃料的份额并不大,反而储氢罐特别笨重。
        为了在承担700个大气压的大前提下仍旧保持行驶安全性,咱们可都不指望坐在两个炸弹上面开车吧?因此储氢罐被设计成四层组织,铝合金的罐体内部衬有塑料内胆,对内包裹一层碳纤维强化塑料的保护层,保护层外侧再追加一层玻璃纤维材料的减震保护层,并且每一层的小小纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的多样化,使纤维顺着压力分布的势头,提升保护层的功能。
        燃料电池堆栈+镍氢电池混合动力
        直接驱动Mirai车轮的电动机功率是113千瓦,金价扭矩335牛米,基本相当于一辆2.0升自然吸气家轿的带动力水平。除了燃料电池堆栈发电之外,Mirai后轴上方布置的1.6千瓦时的镍氢电池也有着特别关键的意图——动力电池+储能电池。其一电池组基本上跟凯美瑞混动的电池完全一样,在整车负载低的时节可以单独用他供电带动车辆前进,上半时燃料电池堆栈发出去的电可以给电池充电,用镍氢电池充当一个“缓存”;
        顶车辆有更大的带动力需求之时节,镍氢电池很快就会耗光,因此这时候燃料电池堆栈就直接向电动机输电,跟镍氢电池实现双重供电来满足需要;顶车辆减速行驶的时节,电动机转化为发电机来回收动能,客运量直接输送到镍氢电池内储存起来。
        总结:
        纵观氢燃料电池整个运行过程中,除了消耗氢气和环境之外,没有任何的货源耗费,没有加油也没有充电。相比之下纯电动车而言,当下充电最快的特斯拉Model S的极品充电站也要求1.25小时才能充满电量。氢气加注的进度则更快,仅需3分钟即可充满两个储氢罐,并且超过600米之民航里程甚至比一般汽油车更优惠。
       虽然现在加氢站还是极度罕见,但是普通加油站改造成加氢站之资产要远低于改造成快速充电站的资产。故此我们可以预计,如果燃料电池车能在资金控制上取得突破,实际上市场空间会比纯电动车更大。
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