燃料電池工作原理
小結：
縱觀氫燃料電池整個運行過程中，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低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預計，如果燃料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車更大。
雖然燃料電池名字里面有“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反應過程中的電荷轉移來形成電流的，這一過程最關鍵的技術就是利用特殊的“電解質薄膜”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……電解質薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。
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(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的燃料電池技術，結構基本類似。豐田的燃料電池堆棧經(jīng)歷了十幾年的技術優(yōu)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(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。
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，所以為了更好驅動電動機，還需要安裝一個升壓器，將電壓提升到650V。
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，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。
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，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，提升保護層的效果。
小結：
縱觀氫燃料電池整個運行過程中，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低于改造成快速充電站的成本。因此我們可以預計，如果燃料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車更大。
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