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是為大規模生產而開發的，具有更高的性能和更低的成本，促進了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結構，成為世界上體積功率密度最高的產品之一，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系統的組件（如直流（DC）/DC轉換器?FC控制器等）與FC電堆集成在一起，使FC系統更緊湊，并能夠安裝在發動機艙中（圖1）?

 

 

此外，研究人員開發了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，實現了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電堆的流場通道及新型電極等關鍵技術?這些都是為了提高FC電堆功率密度及減小尺寸而開發的?

 

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的流場結構和電極組分材料，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，并穩定電流的產生，但直通流道會產生水蒸氣（圖2）?針對第1代MIRAI車型的FC電堆，研究人員開發了1個三維（3D）精細網格流道，通過結構親水效應，使生成的水迅速從氣體擴散層（GDL）移動，從而有助于提高FC電堆的功率性能（圖3）?

 

 

 

3D精細網格流道結構將增加零件的數量，從而增加了成本，并產生額外的壓力損失?與傳統的由1塊雙極板構成的流道相比，3D精細網格流道由雙極板和細孔流道構成?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邊處布設了空氣歧管?新開發的燃料電池組具有部分狹窄的流道點，以平衡氧氣擴散和壓力損失?新流場的部分狹窄流道點，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電堆零件的數量和尺寸，并將空氣歧管布置從4個方向調整為2個方向?

 

 

由于這種設計的排水性，新開發的流道GDL中的氧濃度是傳統直通流道的2.3倍，與3D精細網格流道相同（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極分離器?此外，為了維持穩定的電流產生，研究人員對電池內的空氣和氫氣采用了逆流方式?這種逆流通過單獨使用產生的水實現自動加濕，從而減少加濕器的操作?

 

 

 

圖7示出了電流密度增強的特性?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，研究人員開發了介孔碳作為催化劑載體?

 

由于電池中約80%的Pt會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的數量，質子電導率提高了1.2倍（圖9）?

 

 

研究人員對質子交換膜的強度進行了研究，發現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，強化膜可減少氫的交叉量，而較薄的膜可使質子電導率提高1.5倍?

 

在GDL中，降低碳紙材料密度和增大孔徑可使氣體擴散特性提高25%?

 

如上文所述，研究人員通過對流場路徑和電極進行創新，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）和流道的數量（從3個減少到2個），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%,從而使電池數量從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，同時采用上述方式減小電池堆的尺寸和質量，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品之一，其功率從3.5kW/L增加到5.4kW/L（不包括端板），質量功率密度從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數量?采用更薄的離子交換膜和雙極板?減少零件數量以及減少Pt的用量，使新款燃料電池組的成本降低了75%（圖14）?

 

 

為了便于大規模生產，研究人員采用了先進的高速電池密封技術?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行生產，與原工藝流程相比，其生產速率提高了100倍（圖15）?

 

 

熱塑性粘合膠片的過程由3個部分組成：聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和位于PEN兩側的2個熱塑性粘合層?研究人員優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）材料對鈦金屬表面進行處理，這是1種等離子體化學氣相沉積（CVD）的工藝方法，等離子體需要在1個真空室中產生（圖17）?

 

 

納米復合材料處理方式是1種采用逐一角色理念的連續處理方式?該材料層結構為碳和TiOx的復合材料，具有導電性和耐腐蝕性?由于納米復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?

 

為了進一步促進燃料電池車的發展和普及，豐田汽車公司的研發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，開發了功率密度達到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，研究人員開發了新的電池密封結構和納米復合材料處理，其處理時間由原來的幾分鐘縮短到現在的幾秒鐘?