高性能的新款MIRAI燃料電池堆的研究進(jìn)展

摘要

2014年，豐田汽車公司推出了全球首款商用燃料電池汽車（FCV）MIRAI[1]。與第1代MIRAI車型使用的燃料電池（FC）電堆相比，新款MIRAI車型使用的燃料電池堆采用了新的雙極板流道和改進(jìn)的電極，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5.4 kW/L（不包括端板），性能比第1代MIRAI車型的燃料電池堆提高了1.5倍[2]。提高電流密度是提高動力系統(tǒng)功率性能、減小體積的重要手段，雙極板的作用是在電池內(nèi)部合理地分配氣體和排水，以穩(wěn)定電流的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的直流通路容易被水淹沒，很難維持穩(wěn)定的電流。為了提高氧氣的擴散效率，設(shè)計了1個局部窄流道，而不需要在原燃料電池堆中采用三維網(wǎng)格流場。這項新技術(shù)可使催化劑層中的氧濃度比傳統(tǒng)的直流通道高2.3倍。除雙極板外，催化劑載體和離聚物也得到了改進(jìn)。鉑（Pt）表面的離聚物會引起磺酸中毒，導(dǎo)致催化活性下降。為了解決這一難題，開發(fā)了介孔碳作為催化劑載體，在介孔碳的孔中攜帶Pt，通過減少離聚物與Pt表面的接觸來抑制磺酸中毒。采用了1種高透氧離聚物，其透氧性能是先前燃料電池堆使用的離聚物的3倍。

關(guān)鍵詞

燃料電池堆;電池組性能;電極

0 前言

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[3-4]。

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(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5.4 kW/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[5]。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)動機艙中（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。

1 FC電堆性能的提高

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[6-7]。在新款MIRAI車型中，研究人員采用新開發(fā)的流場結(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%。

2 細(xì)孔流場通道的創(chuàng)新

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，但直通流道會產(chǎn)生水蒸氣[8]（圖2）。針對第1代MIRAI車型的FC電堆，研究人員開發(fā)了1個三維（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(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，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[9]（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個方向調(diào)整為2個方向。

由于這種設(shè)計的排水性，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極分離器。此外，為了維持穩(wěn)定的電流產(chǎn)生，研究人員對電池內(nèi)的空氣和氫氣采用了逆流方式。這種逆流通過單獨使用產(chǎn)生的水實現(xiàn)自動加濕，從而減少加濕器的操作。

3 電極材料的創(chuàng)新

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(fā)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(shù)量，質(zhì)子電導(dǎo)率提高了1.2倍（圖9）。

研究人員對質(zhì)子交換膜的強度進(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(jìn)行創(chuàng)新，可使每電極單位面積的功率密度增加15%（圖10）。

4 FC電堆縮小和質(zhì)量減輕（功率密度）

新一代FC電堆的最大功率已提高到128 kW，較先前最大功率僅為114 kW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0.13 mm減少到0.10 mm）和流道的數(shù)量（從3個減少到2個），使電池的厚度從1.34 mm減少到1.11 mm（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(shù)量從370片減少到330片（圖12），電池組的尺寸從33 L減小到24 L（不包括端板），質(zhì)量從41 kg減至24 kg（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(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3.5 kW/L增加到5.4 kW/L（不包括端板），質(zhì)量功率密度從2.8 kW/kg增加到5.4 kW/kg（不包括端板）（圖13）。

5 FC電堆成本降低和批量生產(chǎn)性能

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[10]。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(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）。

圖14 單位功率鉑催化劑含量對比

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（EPDM）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）。

圖15 電池密封結(jié)構(gòu)示意模型

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(cè)的2個熱塑性粘合層。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）。

圖16 膠片和粘合過程的示意圖

圖17 PAC處理技術(shù)原理模型

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。6 總結(jié)

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5.4 kW/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(fā)了新的電池密封結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合材料處理，其處理時間由原來的幾分鐘縮短到現(xiàn)在的幾秒鐘。

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吳 玲 譯自 SAE Paper 2021-01-0740

虞 展 編輯

（收稿時間：2021-05-21）