丰田燃料电池功率密度每公斤(丰田的燃料电池)

解析丰田Mirai氢燃料电池技术

丰田之前展示了自家的第一款量产氢动力车型Mirai。如果有关注丰田的朋友对于这款车型应该不陌生，在过往的其它大型车展上，都有展出过相关的FCV概念车。作为全球第一款量产的氢燃料电池车，丰田Mirai有着不少令人啧啧称奇的技术，就好像第一次接触丰田的混合动力一样，充满惊喜。

氢能源车存在的意义和电动车一样，是解决排放问题的终极方案。在全球日益倡导低碳环保的主旋律下，氢动力车型拥有纯电动车的零油耗、零排放、低噪音等优势，其核心部分是燃料电池。我们可以将Mirai理解成一辆用电驱动的车型，只不过它采用了燃料电池代替了厚重且充电效率低的锂离子电池。氢燃料电池车是通过利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流，使电动机运作，从而驱动车辆行驶。

就核心结构部件方面，Mirai明显比油电混合、纯电动车都要复杂，整套动力系统以燃料电池堆栈为核心，没有传统的汽油发动机、变速器、油箱以及大面积锂离子电池。发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元，车身后桥部分放置了一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，在Mirai身上无需考虑加油或者充电的问题，驱动唯一消耗的“燃料”只有氢气。

常温下氢气是气体，密度非常低、难以液化且极易燃烧。因此，如何安全地储存氢气，成为氢动力车辆的首要考虑因素。丰田Mirai于车身后桥位置安装了一大一小的两个高压储氢罐，并且设计成椭圆胶囊式的外形，采用三层不同的材质。

高压储氢罐的罐体内部衬有塑料密封内胆，其外面包裹一层碳纤维强化塑料抗压层，抗压层外侧再有一层玻璃纤维材料的减震保护层。每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外优化，使纤维顺着压力分布的方向，提升保护层效果。两个储氢罐一共的容量是122.4升（前储罐60升，后储罐62.4升），采用700个大气压储存，最多能容纳约5公斤的氢气。

不过，要使燃料电池堆栈能够正常反应发电，还得需要氧气的加入，这里只需要将空气带入即可达到效果。前进气格栅会构成一条通道，空气由此进入燃料电池堆栈后，氢气会与空气中的氧结合反应产生电流，整个过程最后得出的唯一“废物”是纯净水。

当车辆启动时，燃料电池堆栈产生的电流除了供给电动机进行车辆驱动外，还有部分会储存到位于后轴上方的镍氢动力电池上。这块1.6千瓦时的电池与凯美瑞混合动力所搭载的完全相同，起动力和储能作用。在整车负载低时，可以单独用它供电带动车辆前进。如果车辆有更大的动力需求，电动机和镍氢动力电池通过双重供电来满足。车辆在减速和制动时，电动机的回收动能会为镍氢电池组“充电”。

在撇开加氢站点少的外在因素，氢燃料的填充速度远比电动车的充电速度快。就拿Mirai来说，充满氢燃料的时间仅需3分钟，就能行驶大概650km；与之相比的特斯拉Model S充满电后的续航里程大概为500km，但充电时间最快也要差不多5个小时。

通过这么讲解，相信大家或多或少都对丰田这款氢动力车型的运作原理有一定了解。如果单从能效和环保方面看，氢动力就算不能取代电动车的地位，也应该要平分天下，显然事实并非如此。如今阻碍氢动力车普及的最大门槛是成本问题，在这里也不得不惊叹一下丰田的成本压缩手段。2008年时，概念FCV上的车用燃料电池成本就去到100万美元，到现在量产销售的Mirai却能降到5万美元，降幅高达95%。从扬言到实现，前后用了不到一年的时间，难怪被网友称之为“黑 科技 ”。

事实上氢动力已经不是什么新概念的玩儿，早年很多厂家都曾做过相关研发，有些是往燃料内燃机方向发展，不过最终第一个敢走向量产的是丰田，其余的都还困在整车造价成本问题上。不过可以看到，国际上对于氢燃料电池的态度是相当积极。英国对加氢站建设和加氢站运营成本会补贴一半；德国、日本打算建造1000座加氢站；美国加州打算实现2015年1万辆氢动力 汽车 。另外，各大厂商采用联盟合作模式，目前比较有代表性的组合有：本田-通用、丰田-宝马、日产-福特-戴姆勒，其目的也是为了加快推动氢燃料电池的普及。

在这个名单中我们也看到了一些国内本土品牌，顺带提及一下，国家其实对氢燃料电池技术格外关注。在2013年，国务院发布了相关政策，希望厂家能和各大科研机构共同联合研发，形成具有自主知识产权的燃料电池乘用车和商用车动力系统技术平台。当时上汽作出的回应规划是2015年将实现燃料电池 汽车 产业化，并在北京、上海、大连等试点城市上市销售，计划生产量为1000辆，整车成本降至50万以内。

可惜这些看似雄心勃勃的计划，最终还是敌不过现实的残酷。就现阶段而言，本土品牌的核心技术水平以及相关经验累积还是相当欠缺，主要集中表现在产品的可靠性和寿命等方面。但这个局面或者将会改善，皆因丰田开放了关于燃料电池的5000多项专利，目的是为了将技术全球化，从而加速各国加氢站的建设。

不过丰田似乎没有把中国视为氢动力车型的重点投放市场，分析原因可能是氢动力车型的产能本身就不高，面对供不应求的市场，会更优先考虑政策支持力度大、对该技术由心热衷的国家或地区。虽然中国政府下达了政策促进燃料电池的发展，但实际扶持动作并不多，无论是企业还是消费者，都只能抱着“观望”的态度面对，最终也耽误了时间。

最后还是要建议本土车企认真对待丰田开放专利这一个契机，因为这已经不像当年混合动力那样实行专利封锁，通过借鉴成熟的技术，有利于将产品的水平进一步提升。加上向来的国家补贴更倾斜本土品牌车企，谁的产品质量可靠，谁就越得民心。

电池车领域领军“人物”的丰田Mirai，它有哪些优点？

燃料电池汽车被认为是未来的清洁能源汽车，许多国家正在开发和制造，但在日本由于资源匮乏，燃料电池汽车的开发很早就开始了。在日本全球发售的燃料电池汽车中，以丰田和本田两个品牌为中心，丰田品牌从1992年开始开发燃料电池汽车，直到2014年丰田Mirai  (第一代)诞生，在北美地区和零下40度的北海道最北端的寒冷城市、非洲的高端地区进行了测试

丰田这个品牌对燃料电池车非常执着。 丰田有名的是混合动力技术，但在电动汽车这个领域，实际上并不突出。 反而是国内的这些汽车品牌占据了很大的优势，直接将电动汽车的这一步指向了更前方的燃料电池汽车。丰田在燃料电池汽车领域积累了很多专利和技术，其他大品牌也开始与丰田共同开发燃料电池车。中国对燃料电池车也非常支持，从2001年开始燃料电池产业纳入五年计划，2011年电动汽车的三条技术路线包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。 燃料电池汽车是我国未来明确的新能源技术路线之一。国内上汽和广汽都积极布局燃料电池汽车领域，丰田涉足该领域时间较早，自然有很大优势。 今天我们来看看它的氢燃料电池车Mirai(Mirai用日语表示“未来”的意思)。

第一代丰田Mirai的长度/宽度/高度分别为4890/1815/1535mm，轴距为2780mm。 燃料电池的体积能量密度为3.1千瓦/升，输出功率为114千瓦。 动力电池采用了镍锰电池。 驱动电机最大输出功率113千瓦，最大扭矩335牛米。 加氢5公里可以连续跑640公里。

丰田Mirai的动力系统称为TFSC，即丰田燃料电池组，是以燃料电池为中心的模块混合系统。 没有以往的发动机和变速器，发动机室内设有电动机和电动机的控制单元，基于燃料电池组产生的电能驱动电动机，电动机被再次用于驱动汽车。让我们看看丰田Mirai的动力系统这是丰田Mirai的动力电池，是镍锰电池。 放在后座后面或后备箱的位置。 这个动力电池不是很大。 不需要纯电动汽车的动力电池那么大的容量。 和混合动力车的电池一样大。

动力电池中含有重金属会严重污染环境，电池越大这个污染程度自然越严重，所以车辆的动力电池要进行回收处理，纯电动汽车的动力电池充满了整个底盘的位置，那自然不是环保的方案。高压储存罐为3层结构，内层为密封氢气的树脂衬里，中层为确保耐压强度的碳纤维强化树脂(CFRP  )层，表层为保护表面的玻璃纤维强化树脂层。

高压储存罐的工作压力为70MPa，最大耐压为87.5MPa。 内部容积为122.4L  (前60L/后62.4L  )。这是丰田Mirai的燃料电池堆，对整个燃料电池车来说是最重要的。 一边连接空气一边连接氢气，通过化学反应产生电能，驱动电动机运转。

这是丰田Mirai的升压转换器。 由于燃料电池产生的电压小于驱动电机的最大电压，因此需要对燃料电池产生的电压进行升压的升压器(可以将电压提高到650V  )。 然后，向驱动马达供给。这是丰田Mirai的驱动马达。 第一代丰田Mirai发动机舱里装有马达和驱动马达的控制系统。 这不是传统的发动机和变速器。驱动电机最大输出功率113千瓦，最大扭矩335牛米。

这是丰田Mirai的动力控制单元。 第一代丰田Mirai的动力控制单元放置在驱动马达上，同样也放置在发动机舱内部。分析第二代丰田氢燃料电池车Mirai的动力系统，未来不远了第二代丰田Mirai的长宽分别为4975/1885/1470mm，轴距为2920mm，尺寸明显比上一代大，高度更低，设计明显更会运动。 贮氢罐不是两个，而是采用了t型设计的三个贮氢罐。 动力电池从镍锰电池换成了锂电池。 驱动电机的最大输出功率为134KW，最大转矩为300Nm，车辆的最高时速为175km/h。

第二代丰田Mirai与第一代相比，贮氢罐的数量和位置不同，第二代从原来的两个增加到三个，采用了t型配置。该位置的配置是置换原来的燃料电池和升压转换器的位置，需要配置在其他位置。

驱动电机的位置发生了明显的变化，从原来的发动机舱内部直接配置到后轴的位置，动力电池的位置没有变化，但从原来的镍锰电池换成了锂电池。燃料电池的位置从原来的底盘位置开始，配置在发动机舱的内部。 燃料电池后面直接有动力控制单元。燃料电池有可以一直使用的最大优点，车辆报废后也可以用于其他燃料电池车，对环境没有任何污染。

根据上述零件的位置和设计变化，可以看出第二代的位置变化比第一代大，更多零件的设计更小型。氢气储存从以往的122.4L增加到142.2L，5分钟可以装满3个储存罐。 第二代丰田Mirai不仅更新了平台，还新开发了FC单元(FC单元为升压转换器，第二代比第一代小)，整体续航距离提高了30%。

第二代丰田Mirai售价6.59-7.39万欧元，折合人民币约50-58万欧元左右。 目前，氢燃料电池汽车必须依靠国家补贴。 这个售价成本还是太高了，但是未来随着技术的进步，这部分成本会逐渐降低，和现在纯电动汽车的售价一样，纯电动汽车的售价已经亲民了。 你将来期待氢燃料电池车吗？

成本太高，为什么丰田不愿放弃高氢燃料电池？

特斯拉凭一己之力改变了 汽车 产业的走向，许多传统 汽车 制造商被迫调整策略，奋力追赶。现在几乎所有制造商都有自己的电动 汽车 ，就连怀疑者通用 汽车 、大众也开始生产电动 汽车 。

不过有一家公司没有让步，它就是丰田。丰田没有将所有鸡蛋全部放进电动 汽车 篮子里。当它推出电动 汽车 时，还在向燃料电池下注。

为什么？燃料电池技术不是已经输了吗？

用氢燃料的燃料电池

从字面上讲，燃料电池技术是应对气候变化的完美方案。液态氢通过燃料电池产生能量，驱动 汽车 前进，只生成水。与其它燃料相比，氢燃料的能量密度更高。

汽油的能量密度约为每千克46MJ，而氢燃料则是120MJ。在理想世界，让同一辆 汽车 跑相同距离的路，氢消耗的燃料要少很多。因为 汽车 只需要装备很少的燃料电池就足够了，所以 汽车 会更轻，现在的电池还太重。氢燃料还有另一个优势，添加燃料时比汽油更快。

为什么现在氢燃料普及度如此低

早在10多年前，加州州长施瓦辛格就倡导发起氢燃料革命，可惜没有成功。一是需求不高，二是供应问题，氢燃料难以普及，供应链也很脆弱。燃料添加站也不多，当中一些经常因为维护关闭。有时氢燃料供应还会中断。目前的氢燃料主要来自化石燃料工厂，工厂将水分离成氢与氧，变成氢燃料。

除了上述原因，成本过高也是一个问题。现在的燃料电池仍然很贵，氢的价格约为每加仑16美元。之所以价格高，原因之一时提炼时需要用到催化剂Platinum，它很贵。研究人员正在努力，试图减少Platinum的消耗量，或者完全放弃Platinum，以求降低成本。

不只如此，存储氢燃料的成本也很高。氢气虽然能量密度高，但按体积计算密度并不高，将它变成液体装进罐子需要制冷技术，所有这些都抬高了成本。正因如此，每次添加氢燃料成本都比汽油高，比电力更是高很多。如此一来，氢 汽车 价格居高不下，维护成本也不低。所以对于绝大多数人来讲购买氢 汽车 毫无意义。

为什么丰田不放弃

丰田很早就开始支持燃料电池，它推出了Mirai 汽车 ，不过大家并不热情。可能是因为 汽车 定价高达5万美元，也可能是燃料添加站太少。

有人可能会认为，商业失败将迫使丰田放弃氢 汽车 计划，不过丰田还是继续生产氢 汽车 ，每次还会升点级。据报道，丰田为求安全，在开发未来 汽车 时不打算将所有鸡蛋放进一个篮子里。它的确会向电动 汽车 投资，但会继续保留Mirai。另外，对于氢燃料电池丰田还有其它打算，远不限于 汽车 。Mirai只是氢燃料的一张“脸”，用来展示形象。

对于重型 汽车 来说氢燃料也许更有魅力，比如卡车、巴士、叉车。目前的锂电池太重，如果想驱动重型 汽车 ，需要安装大量电池，重量明显太重。如果换成氢燃料电池，重量会减少很多。

对于叉车、卡车这样的商务 汽车 来说，充电时间过长等于看着钱白白流走。氢燃料可以快速添加，能节约成本。另外，与其它燃料相比，氢燃料 汽车 可以跑更远的路。照估计，氢卡车的的续航里程可以达到500-750英里。

可能正是因为这些原因，Nikola才会努力开发氢卡车。有些地区已经出现氢巴士。事实上，丰田已经为奥运会准备100辆氢巴士，可惜奥运会推迟了。丰田还与中国企业合作开发燃料电池，供商务 汽车 使用，它们的目标是降低成本。

打造供应链

在美国加州，丰田推行一种名叫“cow to car”的能源供应模式，如果这种模式成功，它可以解决两个问题，提供清洁氢燃料，打造强劲供应链。牛会生成甲烷，它是一种温室气体，也是氢燃料之一。

丰田的计划就是利用厌氧消化池将农场动物粪便变成甲烷，将甲烷收集起来，用燃料电池处理就可以变成氢和电。收集甲烷甚至都不需要额外管道，直接注入现有天然气管道就可以了。氢可以输送到加油站，电可以输入电网。丰田本来准备根据这套方案建一个氢厂，不过推迟了。丰田还有一套方案，就是将废纸变成氢。不过要打造这样的工厂需要一些时间，技术不成熟，不过一旦建成，它也许可以提供常规氢燃料。

氢可以存储再生能源

再生能源很好，因为很干净，但它有一个绕不开的问题：不是连续的。

怎么办呢？在生产高峰将它存起来，在生产低峰使用。氢可以作为一种解决方案，利用可再生能源将水（或者海水）变成氢，然后通过燃料电池用氢生成电力。

不只 汽车 可以使用

未来，丰田肯定想让 汽车 用上氢燃料，但不仅仅如此，非 汽车 项目也可以用，比如航天产业就可以用。太空中氢的含量相当高，事实上，宇宙75%都是氢。丰田与日本航天机构JAXA合作设计月球车，里面就用到了氢燃料电池。月球车的续航里程达到1万公里。

也有人对氢动力航空感兴趣，但不知道丰田是否会向这一领域投资。

有一点倒是肯定的，那就是丰田对航海感兴趣，它正在开发燃料电池船舶。这是一个好消息，因为商务航运贡献的排放量占了整个排放量的2.5%。

丰田还准备打造氢城市，100%依赖氢。其中一个城市名叫Woven City，占地175英亩。它将会成为未来城市的典范，里面有无人驾驶系统、有机器人、有智能家庭、有AI。老实说，这套设想也许并不遥远。在全球一些阳光充足的地区，我们可以建设太阳能工厂，将海水变成氢，供城市、 汽车 使用。

有何意义

在特斯拉制造电动 汽车 之前，大众、宝马对电动 汽车 并不感冒。现在呢？所有 汽车 商都有自己的电动 汽车 。也许丰田看重的是未来，这一未来已经多次延期，所以有风险。大量供应清洁干净的氢能源，丰田的理念是否错了？未来会不会出现替代性技术，让氢燃料电池技术变成多余？或者说，未来将会出现突破技术，让氢变得足够便宜，被大家广泛使用？也许扩大生产追加投资可以解决氢能源存在的一些问题？无人知道未来会怎样。也许电动 汽车 会是 汽车 的未来，但在城市里，不论是巴士、卡车还是船舶，也许还得依靠氢。

功率密度是多少呢？

功率密度（E)：功率密度是指燃料电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积，单位是瓦／公斤或瓦／升。电池的输出功率与其体积之比。对于电池来说，一般是W/Inch3,即每立方英寸平均输出功率。

即比功率（比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车发动机最大功率与汽车总质量比）。水电站开发　单位：瓦／平方米公式：功率密度＝总装机容量／该电站满水位时水库淹没的表面积。

功率谱密度计算公式：

P=st2。在物理学中，信号通常是波的形式表示，例如电磁波、随机振动或者声波。当波的功率频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信号的功率谱密度（powerspectraldensity，PSD）。

波是指振动的传播。电磁振动的传播是电磁波。为直观起见，以绳子抖动这种最简单的为例，在绳子的一端有一个上下振动的振源，振动沿绳向前传播。从整体看波峰和波谷不断向前运动，而绳子的质点只做上下运动并没有向前运动。

功率密度是指什么？

1、功率密度是指燃料电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积，单位是瓦每公斤或瓦每升。电池的输出功率与其体积之比。

2、即比功率（比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车发动机最大功率与汽车总质量比）。

功率可分为电功率，力的功率等。故计算公式也有所不同：

电功率计算公式：P=W/t =UI。

在纯电阻电路中，根据欧姆定律U=IR代入P=UI中还可以得到：P=I2R=(U2)/R。

在动力学中：功率计算公式：1.P=W/t（平均功率）2.P=FV；P=Fvcosα（瞬时功率）。

因为W=F（F力）×S（s位移）（功的定义式），所以求功率的公式也可推导出P=F·v： P=W 。/t=F*S/t=F*V（此公式适用于物体做匀速直线运动）。

公式中的P表示功率，单位是“瓦特”，简称“瓦”，符号是W。

W表示功。单位是“焦耳”，简称“焦”，符号是J。

t表示时间，单位是“秒”，符号是"s"。

氢燃料电池是新能源领域的方向？看丰田是如何打造氢燃料电池车

新能源汽车普及率越来越高，特别是纯电动车型，有着更高的能效，但不少消费者对其的续航问题一直有很大的疑问，随着技术的发展，目前大部分车型都能达到450km以上的续航，这对于大部分家用，代步需求的消费者来说，已经能满足需求。作为全球最大的汽车制造厂之一的丰田，早段时间推出了第二代Mirai量产版的官图，该车计划于2020年第三季度开始在日本生产，并在2020年底率先在日本市场推出。

第二代Mirai基于TNGA后驱平台打造，亮点是采用了氢燃料电池，车辆续航里程比第一代Mirai提升30%，预计可达652 km的续航。外观方面，第二代Mirai采用全新设计语言，车身尺寸也由紧凑型车升至中型车，长宽高分别为4975/1885/1470mm，轴距为2920mm。比起第一代车型，整体设计更流畅，与普通轿车相近，更容易被消费者接受。优雅修长，有几分轿跑风范。

内饰方面，第二代Mirai中控采用非对称式设计，副驾驶空调出风口采用倾斜设计，中控屏幕也略向驾驶员一侧倾斜。此外还配备了彩色饰条和氛围灯。整体层次分明。配置方面，第二代Mirai配备了12.3英寸中控屏、8英寸液晶屏、HUD抬头显示、前排座椅加热/通风以及JBL音响系统等。

氢燃料电池原理是怎么样的？

我们以第一代Mirai解析，车辆搭载了一台最大功率为113KW/335N.m的电动机，0-100公里加速在10秒左右，最大续航里程约为483km。

能量密度为3.1KW/L的燃料电池被安放在前排座椅下方，电池内氢气和氧气发生反应，从而产生电力。后排座椅下方和后备箱分别放置了两个由碳纤维和凯拉夫材料混合制造而成的储氢罐。而储能电池位于后排座椅的后方，它的作用就是把燃料电池产生剩余的电能以及制动回收的动能储存起来。简单的说说这套系统的流程就是：

1、首先氧气从前进气格栅进入并到达燃料电池内与氢气发生反应。

2、储氢罐中的氢气进入燃料电池与氧气反应。

3、氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应并生成水和电能。

4、生成的电能将供给电动机用电。

5、电机使用燃料电池里面生成的电力推动汽车。

6、最后排出的唯一的仅仅是燃料电池堆产生的水，实现了杜绝二氧化碳等污染物的零排放。

看似非常环保的动力方案，但是在氢气的使用和车辆安全性方面有着不少的难度有待解决，目前国内的技术水平以及外面建设的加氢站和储存氢的问题仍有待提高。还未达到全面量产化的阶段。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

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