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丰田燃料电池技术深度剖析

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-08-08  浏览次数:460
核心提示:不加油、不充电、不排放尾气,唯一排放的废物是纯净水!会有这样的车存在吗?答案是肯定的!丰田Mirai就是这样一辆车。那么这一
 不加油、不充电、不排放尾气,唯一排放的废物是纯净水!会有这样的车存在吗?答案是肯定的!丰田Mirai就是这样一辆车。那么这一切都是如何实现的呢?

随着石油资源的不断消耗,传统燃料汽车在未来将被新能源取代已成定局。而要说到在新能源汽车领域谁最有发言权,相信不少人都同笔者一样第一个想到的便是丰田;已经量产并推出了数代的普锐斯虽然依然在烧油,但不可否认其对于新能源车研发的意义是相当巨大。而此次丰田为我们带来的Mirai氢燃料电池车则是将未来汽车直接具象化的呈现在了我们的眼前。

与目前国内炙手可热的纯电动车相比,氢燃料电池具有能量密度更高(单位体积下约为传统电池的7倍)、加注更快捷等优势。而且从我国目前的发电结构来看,氢燃料电池对于环境保护的意义更是远不止减少一辆车的碳排放这么简单。

说回Mirai,作为一款量产的氢燃料电池车,它与我们之前所见到的氢动力车又有什么区别呢?其实这个问题很简单,氢燃料电池车是通过氢来产生电能,最终驱动车辆的是电动机;而之前亮相过的氢动力车(如BMW 7系氢动力版)则是通过以氢为燃料的内燃机直接驱动车辆。

了解了Mirai出现的意义,那么这台车到底是怎么工作的呢?简单来说,Mirai的驱动方式就是通过氢与氧在燃料电池堆发生反应,产生出电能来带动电动机,最终驱动车辆行驶。听起来似乎很简单?相信你在了解这套系统的各部分构成后就不会这么想了。

因为氢分子体积小,可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在穿越孔洞的过程中,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、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纯水,是反应的废物。所以本质来讲,整个运行过程就是发电过程。

丰田2008年燃料电池

丰田Mirai的燃料电池创新

丰田Mirai搭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”,一共可以输出114千瓦的发电功率。此前我们也分析了大众集团的燃料电池技术,结构基本类似。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年的技术优化,形成了自己的特色结构,比如3D立体微流道技术,通过更好地排出副产物水,让更多空气流入,有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发电效率达到了世界先进水平,达到了3.1千瓦/升,比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍。

作为氢燃料电池车,首先要考虑的肯定是氢燃料的存储安全。我们可以看到在这方面丰田确实下了很大的功夫,两个特制的储气罐最大可承受70兆帕的压力;而碳纤维 凯夫拉(防弹衣面料)外壳的使用足以抵挡轻型武器的攻击,当然相信也很少有人会对Mirai下此毒手。

储氢罐被设计成四层结构,铝合金的罐体内部衬有塑料内胆,外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层,保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减震保护层,并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化,使纤维顺着压力分布的方向,提升保护层的效果。

在新一代燃料电池系统中,发出的电能还需要经过升压变频器的升压才能供给电动机使用,最终输出电压由2008年款燃料电池的250V上升到了650V。从其发电功率来看,正好可以满足电动机的最大输出需求。

最大功率113kW、峰值扭矩335N·m的电动机来自雷克萨斯RX450h,这套动力总成带动Mirai超过1.8吨的车身虽然算不上很充沛,但绝对能满足日常使用;而试想一下,真正购买这台车的车主,又有几个会开着它进行激烈驾驶呢?

氢燃料电池相比我们目前常见的纯电动车主要优势有两个:首先,其加注燃料的所需时间与普通汽油车加油差不多,比起电动车充电可真的快了不是一点半点。第二,氢燃料电池这种驱动方式的续航水平明显要强于搭载相同体积电池组的纯电动车。

Mirai还有一个独门秘籍,那就是借助车上的电源插口,它可以瞬间变身大号的“充电宝”,而它充电的对象可不局限于那些电子产品,简单来说,即便是家里停电了,借助它也能使各种家用电器保持一定时间的正常运行。

作为一款商品,丰田Mirai除了诸多值得炫耀的“黑科技”,还有哪些吸引潜在用户的特点呢?其实单从一辆中型轿车的设计角度来说,它显然已经足够吸引人们的眼球了。

丰田的设计师和工程师们或许是觉得氢燃料电池车已经不适用于传统汽油车的平庸外形,所以决定在Mirai身上采用毫不妥协的前卫设计。从细长的头灯开始,就注定了它的不同凡响。悬浮式车型、左右连贯式尾灯等近来十分流行的设计元素都在Mirai身上一一呈现。单从外观来说,这台车可谓是“貌不惊人死不休”。

单看Mirai内饰的任何一部分,恐怕熟悉丰田和雷克萨斯的朋友都能说出这一部分是出自哪款传统车型,但其设计的妙处就在于将这些熟悉的元素整合起来的同时,展现了前所未有的新鲜感。当然这种新鲜感也是为了衬托出这款氢燃料电池车的与众不同。

氢燃料通过氧化反应释放电能后,所产生的排放物是水;那么作为液态的排放物,解决“排在哪”的问题也就成了工程师们需要考虑的问题之一。在这台丰田Mirai的车内我们看到了一个标着“H2O”字样的按键,按下它便可通过车尾的管路排出水,当然我们也希望看到如果氢燃料能普及,在大街上能出现回收这些水的装置。

丰田Mirai驾驶起来与一辆普通中级车差别不大,动力部分的体验则与纯电动车比较类似。虽然它扣着诸多高科技的光环,但真正驾驶的时候你会觉得它还是很平易近人的,所以完全不用因为是新能源车就对它区别对待。

目前这款车已经开始在日本本土销售,其售价约合人民币38万元,减去各种减免的税费,售价也达到了合人民币26万元,与传统的中型车甚至中大型车相比没有优势。而在氢燃料的花费方面,目前日本本土燃料氢价格约为1000日元/千克,未来还有降低的可能性,可见其使用成本并不高昂;而实际上阻碍其发展的其实是稀少的加氢站数量。

总结

氢燃料电池车的量产为我们打开了一扇未来交通解决方案的大门,与各大国内厂商趋之若鹜的纯电动车相比,氢燃料电池车的优势十分明显;电动车充电时间过长和续航里程过短这两个短板都被氢燃料电池车完美解决,而从这个角度来看,或许Mirai所展现的才是未来汽车真正的雏形。(来源:一览众车)

 
 
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