在过去一年里，三家汽车制造商——丰田、本田和现代——推出了新的氢动力汽车。其中最重大的发布可能是丰田 Mirai，它将于今年秋季在美国上市。多年来，燃料电池汽车 (FCV) 一直是清洁汽车领域的“白鲸”。它们只排放水；加满燃料只需三分钟（而传统电动汽车可能需要数小时）；续航里程与燃油汽车相当，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：美国只有十几家加氢站，大部分在南加州。这一点也在改变。去年，该州拨款 2 亿美元，计划到 2020 年再增加 100 个加氢点。这或许能带动全国性的趋势。
工作原理
1. 氢罐
两个碳纤维罐在极高压力（10,000 psi）下储存 11 磅氢燃料。在紧急情况下（例如碰撞），传感器会触发关闭阀门，防止氢气从罐中逸出。
2. 气流
进气格栅将氧气——混合物的重要组成部分——输送到燃料电池堆。
3. 动力控制单元
作为汽车的能源管理者和“大脑”，动力控制单元从燃料堆中抽取电力并将其输送到电机。在加速时，它会从电池中提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 中的镍氢电池仅储存多余的能量，用于启动和加速。
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该磁场对齐并以相同的速率旋转，为动力总成提供动力。输送到电机的电力越多，磁场旋转得越快，汽车行驶得越快。在制动和滑行时，电机为电池发电。
6. 燃料电池
最基本的燃料电池包含阳极、阴极和聚合物电解质膜 (PEM)。由于每个电池单独产生的电压很小，工程师们将它们串联起来，形成一个“堆”。Mirai 的燃料电池堆包含 370 个单元，每个单元都致力于将储存的化学能转化为电能。具体原理如下。
在每个单元中，氢气通过流场板流向阳极。在那里，铂钴催化剂将氢分子分解成带正电的离子和带负电的电子。
然后，PEM 允许氢离子通过到达阴极，但它阻止电子通过，迫使它们走外部电路，从而产生电流。
最后，电子和离子在阴极与氧气结合形成水，水主要以蒸汽的形式排出。
本文最初发表于《大众科学》2015年4月号，作为我们年度“它是如何运作的”专题的一部分。
