工作原理：丰田 Mirai

去年，三家汽车制造商——丰田、本田和现代——推出了新的氢动力汽车。最大的新车可能是丰田 Mirai，它将于今年秋天在美国上市。多年来，燃料电池汽车 (FCV) 一直是清洁汽车领域的佼佼者。它们只排放水；加满油只需三分钟（而传统电动汽车则需要几个小时）；续航里程与燃气汽车相当，约为 300 英里。但汽车制造商一直避免使用它们，主要是因为基础设施问题：美国只有十几个加氢站，大部分位于南加州。这种情况也在改变。去年，该州拨出 2 亿美元，计划到 2020 年再建造 100 个加氢站。这可能会推动全国性的趋势。

工作原理

1. 氢气罐

两个碳纤维罐可储存 11 磅氢燃料，压力高达 10,000 psi。在紧急情况下（例如发生碰撞），传感器会触发截止阀，防止氢气从罐中逸出。

2. 气流

进气格栅将氧气（混合物中的关键成分）输送到燃料电池堆。

3. 电源控制单元

作为汽车的能源管理器和大脑，动力控制单元从燃料堆获取电力并将其发送到发动机。在加速过程中，它从电池中获取储存的能量以获得额外的动力。

4.电池

与传统电动汽车不同，Mirai 中的镍氢电池仅存储多余的能量，供点火和加速时使用。

5.电动机

当电流通过电机时，它会使定子（转子周围的固定环）极化，从而产生旋转磁场。安装在转子上的磁铁与磁场对齐，以相同的速度旋转，为传动系统提供动力。传送到电机的电流越多，磁场旋转得越快，汽车行驶得越快。制动和滑行时，电机为电池发电。

6.燃料电池

燃料电池最基本的形式是阳极、阴极和聚合物电解质膜 (PEM)。由于每个电池本身产生的电压很小，工程师们将它们串联在一起，形成一个堆栈。Mirai 的堆栈包含 370 个电池，每个电池都将储存的化学能转化为电能。下面介绍如何操作。

在每个电池中，氢气通过流场板流向阳极。在那里，铂钴催化剂将氢分子分裂成带正电的离子和带负电的电子。

然后，PEM 允许氢离子穿过阴极，但阻止电子，迫使电子沿外电路行进，从而产生电流。

最后，电子和离子在阴极与氧气相遇形成水，水主要以蒸汽的形式排放。

本文最初发表于 2015 年 4 月的《大众科学》杂志，属于我们年度《工作原理》系列的一部分。