日本燃料電池車量產化

1 瞄準未來目標

日本豐田汽車公司的宏偉目標是到2050年使新車CO2排放量相比2010年降低達90%。除此之外，要改變全球變暖趨勢，也應努力降低CO2排放量。豐田汽車公司多年以來致力于燃料電池車(FCV)的開發與普及，終于在全球率先實現FCV的量產化，2014年12月，已將燃料電池汽車“未來(MIRAI)”投放市場并進行銷售。

2 小型化、輕量化、低成本化

FCV所使用的部件材料價格是較為昂貴的。為實現量產化，徹底削減了燃料電池(FC)固有的高價材料使用量，以降低成本。首先，使燃料電池本體的電池組部分實現高性能和小型化，使作為催化劑的鉑(Pt)用量削減到原有的1/3。此外，儲氫罐由4個減少到2個。每個儲氫罐的碳纖維用量(碳纖維用于強化罐體)也削減了40%左右，并且取消了加濕器。假設電解質膜沒有受到潮濕的影響，則由于氫離子不能順暢地在電解質膜中移動(要求使氫離子透過空氣極側的電解質膜，電解質膜越潮濕，透過性越好，進而可提高發電效率)，所以，以往必定會使用加濕器。使用發電生成的水在FC電池組內部循環，成功地實現了對電解質膜的加濕作用。

此外，并非專門開發、制造新的車用零部件，而是在電機及驅動用蓄電池、動力控制裝置(PCV)等部件上仍沿用該公司最新的混合動力車型(HV)的零部件，從而抑制了成本。HV車用零件由于電壓規格較高，所以，開發出的FC升壓整流器，即可用于HV車型。圖1為FCV車用結構零件。

圖1 FCV車用系統結構零件

3 長達20年以上的開發周期

1992年10月，豐田汽車公司制定了乘用車用燃料電池開發計劃。當初曾參與研究開發工作的技術人員野野部康宏先生表示“研發初衷是考慮到了燃料電池是一項充滿前景的技術，但最初并未考慮到其是否能夠真正研制成功”，其研發過程和開發周期可謂漫長而曲折。

因而，豐田于2002年在全球率先以限定租賃的形式成功銷售了“燃料電池混合動力汽車(FCHV)”。當時的燃料電池組存在體積大、碳纖維制作成本高等弊端，因此又對其進行了后續深入開發。2010年，豐田公司終于實現了燃料電池組的量產化，并且在2014年實現了FCV的上市銷售。新型的燃料電池組采用了鈦合金制作(電池組用的隔板材料由原來的不銹鋼改為鈦合金)，具有質量輕、耐蝕性、表面處理簡單化等優點。在表面處理工藝過程中，為確保導電性，由原來成本較高的鍍金工藝，改為蒸鍍(真空鍍)方式。

4 全球首創的3D細篩網流路

MIRAI車上配裝的新型燃料電池組的單位體積功率已達到世界頂級水平，為3.1 kW/L。與2008年的產品相比，該指標提高達2.2倍。之所以能夠實現這樣的高性能化，源于開發了劃時代的單電池(燃料電池單元)。

2008年款的單電池(FC單元)的凹槽流路，在氫與氧的反應中生成的水可能會堵住流路(阻礙空氣流通)，或者滯留在電極內，并且阻礙O2向催化劑層擴散，并以此降低了發電性能。如圖2所示，3D細篩流路(即三維微細格子流路)是為解決這類問題而開發的流路結構。由于快速地從電極吸出并生成水，會使空氣向電極方向以紊流形式流動，即可促進O2向催化劑層擴散。通過使氫自上而下流動，使O2自下而上流動，同時由于水浸濕了單電池面，即可做到均勻地發電。另外，如果氧擴散過早，使單電池面內干燥，所以將空氣流道的上游部分制成較大的波狀結構，以緩和流動。而空氣的下游部分，為促進擴散，結構上縮小波狀部分，使空氣快速地進行流動與擴散。

圖2 新型單電池

5 高壓儲氫罐的改良

高壓儲氫罐有3層結構，使用壓力為20 MPa，封入最內層的樹脂襯套上，設置確保耐壓強度的碳素纖維強化塑料(CFRP)層，上面有保護表面的玻璃纖維強化塑料(GFRP)層。

值得關注的是CFRP層。在儲氫罐中填充H2時，為抑制樹脂襯套的膨脹，卷繞了長達30 km左右的碳素纖維，并用環氧樹脂進行熱硬化處理。邊界部的纖維相對于圓筒部(指主體部)，采用傾斜纏繞方式(例如與軸向呈40°左右的角度進行繞線)，其效率較低(纖維用量大)。理想的方式是采用縮短邊界部分形狀，降低碳纖維的使用量的方法(圖3)。

關于安全性，將儲存罐暴露于火焰中，開展燃燒試驗。儲氫罐的閥門配備有在110 ℃左右溫度下才會熔化的零件(易熔塞)，即使周圍發生火災，易熔塞會隨之啟動，釋放出H2，因此不會引起儲氫罐本體的破損。

另外，將原來耗時達10 min的H2填充時間大幅度壓縮至3 min。因為H2壓縮后溫度會有所升高，所以，充入溫度約為-40 ℃的H2，并且需確保儲氫罐內的溫度傳感器處于安全狀態。

圖3 CFRP的纏繞方法

6 豐田公司已全力投入開發

開發MIRAI車型時，分析技術是必不可少的。例如，觀察冰點下發電情況，發現燃料電池中的水并未發生凍結，這表明即使在冰點下，燃料電池依然可持續進行發電。在其發電過程中持續進行觀察是一項較為困難的技術，但即使如此，豐田公司依然制成了這類裝置。

豐田公司在2015年用1年左右時間生產了約700輛MIRAI車，2016年生產了約2 000輛車，2017年生產了約3 000輛，生產輛數已開始逐步增加，并隨之制定了推廣普及FCV車的重要計劃。為普及FCV，日本經濟產業省制定的規劃是，到2020年將建設約160處加氫站，到2025年建設約320處氫站。但是，燃料電池的發展道路依然漫長，而且，如果燃料電池車無法實現小型化并降低成本，就難以得到普及。為了保護賴以生存的環境，今后還需持續進行技術開發。