六、氢燃料电池
氢燃料电池车更像是一种增程式电动车。也许有些人会认为氢燃料电池车是以燃烧氢原料作为动力的，其实不然，氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应而产生电能的装置（单纯依靠燃烧氢来驱动的“氢内燃机车”也曾出现过，比如宝马的氢能7系）。氢燃料电池车的驱动力来自于车上的电动机，就像纯电动车一样，因此，氢燃料电池车可以理解为一辆“自带氢燃料发电机的电动车”，其理念与增程式电动车相类似，只不过电能的来源由一台内燃机变成了氢燃料动力单元。
1．氢燃料电池车和基本结构
到目前为止，各个车企的氢燃料电池车的基本原理较为一致，只是细节设计上有所区别。笔者仅以丰田汽车公司刚刚发布的氢燃料电池车Mirai为例来说明氢燃料电池车的结构和工作原理。
如图49所示，Mirai氢燃料电池车主要由高压储氢罐、氢燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力
蓄电池组、驱动电动机和动力控制单元等组成。高压储氢罐内存储燃料用氢气，压力大约为70MPa；氢燃料电池堆栈为丰田汽车公司第一个量产的燃料电池，体积能量密度为3. 1kW/L，输出功率为114kW；燃料电池升压器采用紧凑高效的大容量升压器，能够将电压升高到650V；动力
蓄电池组采用镍锰
蓄电池，用以回收制动能量，在加速时辅助燃料电池供电；驱动电动机由燃料电池和动力
蓄电池组供电，最大功率为113kW，最大转矩为335N·m；动力控制单元用于在不同的行驶工况下分别控制动力
蓄电池组的充放电策略。
Mirai车的动力系统被称作TFSC（Toyota FC Stack），即丰田燃料电池堆栈，是以燃料电池堆栈为核心组件的
混合动力系统。TFSC没有传统的汽油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元。在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心；在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，没有油箱和大面积的锂离子电池，Mirai车唯一需要消耗的“燃料”就是氢气，不用加油也不用充电，加满5kg氢气可行驶640km。
直接驱动Mirai车车轮的电动机功率为113kW，峰值转矩为335N·m，基本相当于一辆2.0L自然吸气发动机的动力水平。除燃料电池堆栈发电之外，Mirai车后轴上方布置了一个1. 6kW·h的镍氢电池组，充当动力电池＋储能电池的作用。该电池组基本上跟凯美瑞
混合动力车的电池一样，在整车负载低时可单独用其供电带动车辆前进，与此同时，燃料电池堆栈发出来的电可以给电池组充电，用镍氢电池充当一个“缓存”。当车辆有更大的动力需求时，镍氢电池组的电会很快耗光，此时燃料电池堆栈就直接向电动机输电，与镍氢电池组实现双重供电以满足车辆需求；当车辆减速行驶时，电动机转化为发电机来回收动能，电量直接输送到镍氢电池组内储存起来。Mirai氢燃料电池车的工作原理如图50所示。
2. 燃料电池堆栈的构成和工作原理
丰田Mirai车搭载的燃料电池堆栈如图51所示，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114kW的发电功率。虽然氢燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但氢燃料电池却不是利用燃烧来获取能量的，而是利用氢气与氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程最关键的技术就是利用特殊的“质子交换薄膜”将氢气拆分，质子交换薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒之一。如图52所示，在燃料电池堆栈里，进行着氢与氧相结合的反应，其过程中存在电荷转移，从而产生电流。与此同时，氢与氧化学反应后正好生成H2O，即水。
燃料电池堆栈作为一个化学反应池，其最为关键的技术核心在于“质子交换薄膜”。在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层，将氢气分解为带电离子状态，因为氢分子体积小，携带电子的氢可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在携带电子的氢穿越这层薄膜孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过薄膜到达另一端。氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。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原子以捕获电子变为氧离子（负电），电子在电极板之间形成电流，2个氢离子和1个氧离子结合成为水，水成为该反应过程中的唯一“废料”。从本质来讲，整个运行过程就是发电过程。随着氧化反应的进行，电子不断发生转移，就形成了驱动汽车所需的电流。如果说，氢燃料电池车的技术突破是在发明一种汽车，倒不如说是在发明一种全新的“发电机”，然后整合进一部车子里。在燃料电池堆栈中，排布了诸多薄膜，可以产生大量的电子转移，形成供车辆行驶所需的电流。因此Mimi车是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。一般情况下，燃料电池堆栈所产生的整体电压为300V左右，不足以带动一台车用大功率电动机，因此，Mirai氢燃料电池车还装备了燃料电池升压器，将电压升至600V以上，从而顺利驱动电动机。
丰田的燃料电池堆栈经历了10多年的技术优化，形成了自己的特色结构。丰田汽车公司2008年采用的燃料电池技术如图53所示。由于通路宽度过大，氢氧化学反应产生的副产品水会在通路内堆积，阻碍氧向催化剂层扩散，降低发电效率。Mirai氢燃料电池车采用新型高性能燃料电池，阴极采用3D立体精微流道技术，如图54所示。氢氧化学反应中产生的水可以通过3D立体精微流道迅速排出，防止堆积的水对氧气的进一步进入产生阻碍，使空气可以充分通过微流道流动与催化剂层（采用铂钴合金催化剂，活性提升1.8倍）接触；正极的质子交换薄膜被做得更薄（厚度减小1/3，导电性提高3倍），气体在扩散层（采用低密度材料）的扩散性得到提升，催化剂层处于“超激活”状态，显著提升了电极的响应性能，有效地改善了发电效率，因此，整个燃料电池堆栈的发电效率达到了3. 1kW/L，是2008年丰田燃料电池技术的2.2倍，如图55所示。
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