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(xiàn)的呢？

豐田Mirai燃料動力鋰電池汽車

前不久豐田正式發(fā)售了燃料動力鋰電池汽車Mirai（譯名：未來），直接與純電動汽車進(jìn)行競爭。“燃料動力鋰電池”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(xué)家研究了數(shù)十年的技術(shù)，始終沒有取得重大的技術(shù)突破，至少是沒有誰能夠拿得出成本適合消費(fèi)級市場的成熟技術(shù)。而在不到一年前，豐田就放出豪言說已經(jīng)在燃料動力鋰電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，可以使車用燃料動力鋰電池的成本從100萬美元降到5萬美元，降幅高達(dá)95%！不到一年，豐田便用Mirai兌現(xiàn)了豪言。雖然目前Mirai的價格約合38萬人民幣，但要了解這是首次投放市場的量產(chǎn)燃料動力鋰電池車。

豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)注釋

宇宙黑科技的由來

豐田Mirai的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的汽油車或者純電動汽車都不相同，假如硬要找出一個類似的結(jié)構(gòu)，可能豐田最暢銷的普銳斯跟Mirai會有著一點(diǎn)點(diǎn)相似的結(jié)構(gòu)吧。Mirai的動力系統(tǒng)被稱作TFSC（ToyotaFCStack），即豐田燃料動力鋰電池堆棧，是以燃料動力鋰電池堆棧為核心組件的混合動力系統(tǒng)。TFSC沒有傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)，也沒有變速器，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部是電動機(jī)和電動機(jī)的控制單元。

豐田Mirai結(jié)構(gòu)圖

在駕駛艙底部布置著的燃料動力鋰電池堆棧是整套系統(tǒng)的核心，本文也將著重點(diǎn)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鋰離子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公斤氫氣就可以持續(xù)跑上640公里！而為何要在題目中說燃料動力鋰電池是“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，而氫氣在燃料動力鋰電池中跟空氣中的氧氣結(jié)合，排出的唯一“廢物”是純凈水！所以氫燃料動力鋰電池一直被認(rèn)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。

豐田Mirai核心結(jié)構(gòu)布置圖

燃料動力鋰電池工作原理

雖然燃料動力鋰電池名字里面有“燃料”字樣，同時氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒，但在燃料動力鋰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)薄膜也是燃料動力鋰電池領(lǐng)域最難被攻克的技術(shù)壁壘。

燃料動力鋰電池堆棧外部細(xì)節(jié)及重要參數(shù)燃料動力鋰電池堆棧外部細(xì)節(jié)及重要參數(shù)

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(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，兩個氫離子和一個氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來講，整個運(yùn)行過程就是發(fā)電過程。因此Mirai是純電動汽車，燃料動力鋰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2008年燃料動力鋰電池

豐田Mirai的燃料動力鋰電池創(chuàng)新

豐田Mirai搭載的燃料動力鋰電池堆棧是由370片薄片燃料動力鋰電池組成的，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)的燃料動力鋰電池技術(shù)，結(jié)構(gòu)基本類似。豐田的燃料動力鋰電池堆棧經(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。

Mirai燃料動力鋰電池堆棧技術(shù)迭代

由于燃料動力鋰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)，還要安裝一個升壓器，將電壓提升到650V。

燃料動力鋰電池迭代

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(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(shù)，豐田選用了700Mpa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。

氫氣儲存性能

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(shè)計成四層結(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)再新增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。

燃料動力鋰電池堆棧+鎳氫電池混合動力

直接驅(qū)動Mirai車輪的電動機(jī)功率是113千瓦，峰值扭矩335牛米，基本相當(dāng)于一輛2.0升自然吸氣家轎的動力水平。除了燃料動力鋰電池堆棧發(fā)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用途——動力鋰離子電池+儲能電池。這個電池組基本上跟凱美瑞混動的電池完全相同，在整車負(fù)載低的時候可以單獨(dú)用它供電帶動車輛前進(jìn)，與此同時燃料動力鋰電池堆棧發(fā)出來的電可以給電池充電，用鎳氫電池充當(dāng)一個“緩存”；

燃料動力鋰電池汽車工作原理

當(dāng)車輛有更大的動力需求的時候，鎳氫電池組很快就會耗光，所以這時候燃料動力鋰電池堆棧就直接向電動機(jī)輸電，跟鎳氫電池組實現(xiàn)雙重供電來滿足需求；當(dāng)車輛減速行駛的時候，電動機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)來回收動能，電量直接輸送到鎳氫電池組內(nèi)儲存起來。

小結(jié)：

縱觀氫燃料動力鋰電池整個運(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。相比純電動汽車而言，目前充電最快的特斯拉ModelS的超級充電站也要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(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，假如燃料動力鋰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汽車更大。（文章摘自電動邦）