首款MIRAI于2014年推出，是全球首款商用燃料電池汽車（FCV）?新款MIRAI是為大規(guī)模生產(chǎn)而開發(fā)的，具有更高的性能和更低的成本，促進(jìn)了FCV的推廣?

 

與第1代MIRAI車型所使用的燃料電池（FC）電堆相比，新款MIRAI車型的燃料電池堆采用了由雙極板和電極組成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，成為世界上體積功率密度最高的產(chǎn)品之一，其功率密度為5.4kW/L（不包括端板），與第1代MIRAI車型的燃料電池堆相比，其性能提高了1.5倍?FC系統(tǒng)的組件（如直流（DC）/DC轉(zhuǎn)換器?FC控制器等）與FC電堆集成在一起，使FC系統(tǒng)更緊湊，并能夠安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中（圖1）?

 

 

此外，研究人員開發(fā)了1種帶有少量鉑（Pt）的電極?采用逐一角色表面處理方案的雙極板和高速粘附密封的電池，實(shí)現(xiàn)了FC電堆成本的下降?新型FC電堆的成本較上一代電堆下降了25%,且生產(chǎn)效率有了較大幅度的提升?

 

本文介紹了新款MIRAI車型FC電堆的流場(chǎng)通道及新型電極等關(guān)鍵技術(shù)?這些都是為了提高FC電堆功率密度及減小尺寸而開發(fā)的?

 

提高電流密度是提高FC電堆功率性能和減小尺寸的重要手段?在新款MIRAI車型中，研究人員采用新開發(fā)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電極組分材料，改善了電極催化劑層的排水性能和氧氣的分散性，功率性能提高了15%?

 

 

雙極板的作用是在電池中分配氣體和排水，并穩(wěn)定電流的產(chǎn)生，但直通流道會(huì)產(chǎn)生水蒸氣（圖2）?針對(duì)第1代MIRAI車型的FC電堆，研究人員開發(fā)了1個(gè)三維（3D）精細(xì)網(wǎng)格流道，通過結(jié)構(gòu)親水效應(yīng)，使生成的水迅速?gòu)臍怏w擴(kuò)散層（GDL）移動(dòng)，從而有助于提高FC電堆的功率性能（圖3）?

 

 

 

3D精細(xì)網(wǎng)格流道結(jié)構(gòu)將增加零件的數(shù)量，從而增加了成本，并產(chǎn)生額外的壓力損失?與傳統(tǒng)的由1塊雙極板構(gòu)成的流道相比，3D精細(xì)網(wǎng)格流道由雙極板和細(xì)孔流道構(gòu)成?為了解決壓力損失帶來的問題，研究人員在電池組單元的長(zhǎng)邊處布設(shè)了空氣歧管?新開發(fā)的燃料電池組具有部分狹窄的流道點(diǎn)，以平衡氧氣擴(kuò)散和壓力損失?新流場(chǎng)的部分狹窄流道點(diǎn)，可通過壓力阻力將空氣推入GDL（圖4）?研究人員采用這種新的流道方式，有助于減少FC電堆零件的數(shù)量和尺寸，并將空氣歧管布置從4個(gè)方向調(diào)整為2個(gè)方向?

 

 

由于這種設(shè)計(jì)的排水性，新開發(fā)的流道GDL中的氧濃度是傳統(tǒng)直通流道的2.3倍，與3D精細(xì)網(wǎng)格流道相同（圖5）?

 

 

圖6示出了新型MIRAI車型FC電堆的單元組件?為了改善電解槽內(nèi)的氣體分布和排水性能，與原電解槽中的蛇形流道相比，研究人員采用了波形流道作為陽(yáng)極分離器?此外，為了維持穩(wěn)定的電流產(chǎn)生，研究人員對(duì)電池內(nèi)的空氣和氫氣采用了逆流方式?這種逆流通過單獨(dú)使用產(chǎn)生的水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加濕，從而減少加濕器的操作?

 

 

 

圖7示出了電流密度增強(qiáng)的特性?研究人員采用新型電極材料，改善了催化劑和離聚物的性能?

 

 

原先的燃料電池使用低表面積碳（LSAC）作為催化劑載體，以提高Pt的利用率?但LSAC載體的催化活性會(huì)因Pt表面離聚物引起的磺酸中毒而惡化?為了解決這一難題，研究人員開發(fā)了介孔碳作為催化劑載體?

 

由于電池中約80%的Pt會(huì)被帶到介孔碳的孔中，因此，研究人員通過減少離聚物與Pt表面的接觸來抑制磺酸中毒?通過采用這一方式，以及采用提高PtCo合金催化劑固體溶解度的方式，研究人員可以將催化活性提高約50%（圖8）?

 

 

此外，研究人員還使用了1種高透氧離聚物，其透氧性能是原燃料電池的3倍，通過增加酸性表面官能團(tuán)的數(shù)量，質(zhì)子電導(dǎo)率提高了1.2倍（圖9）?

 

 

研究人員對(duì)質(zhì)子交換膜的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過增加電池背板層比率，增加薄膜厚度（與以前的薄膜相比增加了10倍）及減小厚度（約29%）等措施，強(qiáng)化膜可減少氫的交叉量，而較薄的膜可使質(zhì)子電導(dǎo)率提高1.5倍?

 

在GDL中，降低碳紙材料密度和增大孔徑可使氣體擴(kuò)散特性提高25%?

 

如上文所述，研究人員通過對(duì)流場(chǎng)路徑和電極進(jìn)行創(chuàng)新，可使每電極單位面積的功率密度增加15%（圖10）?

 

 

 

新一代FC電堆的最大功率已提高到128kW,較先前最大功率僅為114kW的燃料電池組，每個(gè)電池單元輸出功率增加了25%?研究人員通過減少分離器的厚度（從0.13mm減少到0.10mm）和流道的數(shù)量（從3個(gè)減少到2個(gè)），使電池的厚度從1.34mm減少到1.11mm（圖11）?此外，研究人員還提高了電池的最大電流，使其增大了20%,從而使電池?cái)?shù)量從370片減少到330片（圖12），電池組的尺寸從33L減小到24L（不包括端板），質(zhì)量從41kg減至24kg（不包括端板）?

 

 

 

研究人員通過提高電池堆的功率性能，同時(shí)采用上述方式減小電池堆的尺寸和質(zhì)量，使新型MIRAI車型搭載的新一代FC電堆成為世界上最高的體積功率密度最高的產(chǎn)品之一，其功率從3.5kW/L增加到5.4kW/L（不包括端板），質(zhì)量功率密度從2.8kW/kg增加到5.4kW/kg（不包括端板）（圖13）?

 

 

 

為了降低FC電堆的成本，研究人員需要降低Pt催化劑等高成本材料的用量?研究人員提高了最大電流密度和電極面積利用率，使電池體積減小了20%?此外，研究人員還通過減少電池?cái)?shù)量?采用更薄的離子交換膜和雙極板?減少零件數(shù)量以及減少Pt的用量，使新款燃料電池組的成本降低了75%（圖14）?

 

 

為了便于大規(guī)模生產(chǎn)，研究人員采用了先進(jìn)的高速電池密封技術(shù)?電池密封工藝由三元乙丙橡膠（EP-DM）硫化粘合改為熱塑性粘合及紫外光固化（UV）?新款MIRAI車型采用新工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，與原工藝流程相比，其生產(chǎn)速率提高了100倍（圖15）?

 

 

熱塑性粘合膠片的過程由3個(gè)部分組成：聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和位于PEN兩側(cè)的2個(gè)熱塑性粘合層?研究人員優(yōu)化了拉伸和熱定型工藝，以減少單元裝配過程中的尺寸變化（圖16）?

 

 

納米復(fù)合材料（NC）是1種用于鈦金屬雙極板的表面處理的新材料?豐田汽車公司采用了原電堆的π-共軛無定形碳（PAC）材料對(duì)鈦金屬表面進(jìn)行處理，這是1種等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）的工藝方法，等離子體需要在1個(gè)真空室中產(chǎn)生（圖17）?

 

 

納米復(fù)合材料處理方式是1種采用逐一角色理念的連續(xù)處理方式?該材料層結(jié)構(gòu)為碳和TiOx的復(fù)合材料，具有導(dǎo)電性和耐腐蝕性?由于納米復(fù)合材料與鈦金屬之間具有良好的粘附性，因此NC工藝需要在沖壓成型前完成?

 

為了進(jìn)一步促進(jìn)燃料電池車的發(fā)展和普及，豐田汽車公司的研發(fā)人員通過提高燃料電池組功率性能和減小燃料電池堆的尺寸，開發(fā)了功率密度達(dá)到5.4kW/L,并且為世界上體積功率密度最高（不包括端板）的新型燃料電池堆?由于減少了昂貴的燃料電池材料（如鉑催化劑）的用量，該款電池組的成本比上一代電池組降低了25%?同時(shí)，研究人員開發(fā)了新的電池密封結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合材料處理，其處理時(shí)間由原來的幾分鐘縮短到現(xiàn)在的幾秒鐘?