新型MIRAI高性能FC堆栈的开发
摘要
丰田的第一辆MIRAI于2014年作为世界上第一辆商用燃料电池车(FCV)[1]. 与第一个MIRAI中使用的FC堆栈相比，FC堆栈在新的MIRAI通过采用双极板和改进电极的新流道，获得了世界上最高的体积功率密度之一(5.4kw/L，不包括端板，比第一MIRAI中的FC堆栈高1.5倍[2]. 提高电流密度是提高功率性能和减小尺寸的重要手段。双极板的作用是分配气体和排水，以稳定电流的产生。然而，传统的直流通道往往会引起洪水，这使得很难保持稳定的电流产生。开发了一个部分窄的流道来增强氧扩散没有三维细网流场，这是在以前的FC堆叠中采用的。利用这一新技术，催化剂层中的氧浓度比传统的直线通道高2.3倍，与以前的模型相同。除了双极板，催化剂载体和离聚物也得到了改善。由于覆盖Pt表面的离聚物引起的磺酸中毒，催化活性恶化。为了解决这一问题，开发了介孔碳作为催化剂载体。在介孔碳的孔中携带Pt，通过减少离聚物与Pt表面的接触来抑制磺酸中毒。一种高透氧离聚体也被新采用，其透氧性能比以前的FC堆叠中使用的离聚体高三倍。
他的第一辆MIRAI于2014年作为世界上第一辆商用燃料电池车(FCV)推出)。新的MIRAI是为大规模生产而开发的，具有较高的射孔-降低成本，进一步推广FCV[3, 4]。与第一版MIRAI中使用的FC堆栈相比，新MIRAI中的FC堆栈采用双极板和电极组成的流场结构，实现了世界上最高的体积功率密度之一(5.4kW/L，不包括端板，比第一版MIRAI中的FC堆栈高1.5倍[5]. 将DC/DC变换器、FC控制器等FC系统组件与FC堆栈集成，使FC系统更加紧凑，并能够在发动机舱内安装 (图 1)。
此外，新的FC堆栈的成本被降低到前一个堆栈成本的四分之一，生产力得到了提高。这是通过开发一种需要较低数量Pt的电极、双极板的角色对角色表面处理和细胞的高速粘附密封来实现的。本文介绍了新MIRAI中引入的FC堆栈的关键技术，如流场通道和新电极，这些技术是为了提高功率而开发的密度和缩小尺寸。
提高电流密度是提高功率性能和减小尺寸的重要手段[6, 7]. 在新的MIRAI中，通过新开发的低场结构和电极成分材料来提高水的排水性能和氧气向电极催化剂层的分散，功率性能提高了15%。
双极板的作用是分配气体和排水，以稳定电流的产生。但是，直流通道可生成[8](图 2). 对于第一个MIRAI中的FC堆栈，开发了一个三维精细网格通道，通过利用结构亲水效应，允许生成的水迅速从气体扩散层移动，这有助于提高功率性能(图 3)。然而，采用三维精细网格流道增加了零件的数量，增加了成本，并产生了额外的压力损失。与由一个双极板组成的传统流场通道相比，三维细网流道既需要双极板，也需要细网流道。为了解决压力损失的增加，沿单元的长侧设置了空气流形。相反， 新开发的FC堆具有部分狭窄的流道，以平衡氧的扩散和压力损失。
新的流道部分缩小了通道点，通过压力阻力将空气推入气体扩散层(GDL[9] (图 4). 采用这种新的流道有助于减少零件的数量和FC堆叠的大 小，方法是将歧管排列从四面改为两面。由于本设计的排水性，新开发的流道GDL中的氧浓度比传统的直线通道高2.3倍，与三维细网通道相同 (图 5). 图6显示新MIRAI中FC堆栈的单元结构。为了提高电池内部的排水性和气体分布，采用波流通道作为阳极分离器，与前一堆中的蛇形流道相比。此外，为了保持稳定的电流产生，对电池内的空气和氢流动采取了逆流。这种逆流允许无加湿器操作，通过启用自湿润使用生成只有水。
图2 直流通道残余水的X射线CT图像
电流密度随所描述的性质而增加图7通过采用新的电极材料，特别是催化剂和离聚物。以前的FC堆栈使用低表面积碳(LSAC)作为催化剂载体，以提高Pt的利用率。然而，LSAC载体的催化活性往往由于Pt表面离子覆盖物引起的磺酸中毒而恶化。为了解决这一问题，开发了介孔碳作 为催化剂载体。电池中约80%的Pt被携带在介孔碳的孔中。这通过减少离聚物与Pt表面的接触来抑制磺酸中毒。这种对策和提高PtCo合金催化剂的固溶度，使催化活性提高了约50%(图 8). 此外，还新采用了一种高透氧离聚物，其透氧性能比以前的FC堆叠中使用的离聚物高三倍。通过提 高酸性官能团量(图 9). 质子交换膜的强度增加（比以前的膜增加10倍)，其厚度减少(约29%）通过增加背板层比。强化膜降低了氢交叉的量，较薄的膜增加了质子电导率的1.5倍。在GDL中，降低碳纸材料密度，增大孔径，使气体扩散特性提高了25%。上述流场路径和电极创新使电极单位面积功率密度提高了15%(图 10).
通过将每个单元的输出增加25%，新的FC堆栈的最大功率被提高到128kW(以前的FC堆栈：114kW)。同时，通过将分离器的厚度（从0.13mm减至0.11mm）和流量通道数量（从3至2），单元厚度从1.34mm减至1.11mm（图11）。此外，堆栈的尺寸（从33升到24升，不包括端板）和重量(从41公斤减少到24公斤，不包括端板细胞数从370到330(图12)。这是通过将最大电流增加20%来实现的。通过提高功率性能，同时减少尺寸和重量，如上文所述，为新的MIRAI开发的FC堆栈实现了世界上最高的体积功率密度（从3.5kW/L增加到5.4kW/L，不包括端板）和质量功率密度（从2.8kW/kg增加到5.4kW/kg，不包括端板）（图13）。
为了降低FC堆栈的成本，降低Pt（铂）催化剂[10]等高成本材料的数量是很重要的。通过增加电极区域的最大电流密度和利用率，新的FC堆栈的电池尺寸减少了20%。此外，通过减少电池数量、采用更薄的离子交换膜和双极板、减少零件数量、减少Pt的数量，新的FC堆栈的成本降低了四分之三（图14）。
为了促进大规模生产，开发了高速电池密封技术。细胞密封过程由EPDM硫化粘附转变为热塑性粘附和紫外固化。新流程比以前的流程快100倍（图15）。
用于热塑性粘附过程的胶合板由三个成分组成：聚萘乙烯(PEN)和位于PEN两侧的两个热塑料粘合层。对拉伸和热设置过程进行了优化，以减少电池装配过程中的尺寸变化。（见图16） 新研制了一种针对钛双极板表面处理的纳米复合材料处理方法。前一组采用π共轭非晶碳处理方法进行钛表面处理[11]。这是一个等离子体CVD过程，需要一个真空室来产生等离子体（图17）。相比之下，NC处理是一个需要更少时间的角色对连续过程。数控层结构是碳和TiOx的复合材料，具有导电性和耐腐蚀性。由于NC与底座Ti金属之间的粘附性良好，所以在压成型工艺之前进行。
图18 数控处理原理图模型
总结
为了鼓励FCV的进一步普及，通过提高功率性能和减少堆栈大小，开发了一种具有世界上最高体积功率密度(5.4kw/L，不包括端板)之一的新FC堆栈。此外，通过减少昂贵的FC材料(如Pt催化剂)的数量，将堆栈的成本降低到前一堆栈成本的四分之一。此外，通过开发一种新的电池密封结构和纳米复合处理，将工艺时间从分钟减少到秒。
