據(jù)路透社報道，豐田汽車董事長內(nèi)山田武(Takeshi Uchiyamada)9月25日在東京舉行的氫能部長級會議上表示，豐田汽車公司準(zhǔn)備在2020年推出第二代Mirai燃料電池汽車。本文分享豐田第二代Mirai燃料電池汽車極板材質(zhì)、空壓機(jī)類型和增濕器的發(fā)展趨勢。

鈦極板

燃料電池雙極板材質(zhì)須具備高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性、高電導(dǎo)率、易成形、耐腐蝕、輕質(zhì)和低成本等特性。相比石墨和復(fù)合雙極板，金屬雙極板因具備良好的導(dǎo)電傳熱、強(qiáng)度高、氣密性好、低熱容等材料屬性，兼具加工成形簡單、成本低等優(yōu)點，成為燃料電池雙極板材質(zhì)的首xuan。

從耐腐蝕角度來看，鈦金屬無疑是車用燃料電池金屬雙極板中有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N材料。受制于導(dǎo)電耐腐蝕涂層、成形難、成本高等問題，鈦雙極板目前僅被豐田第yi代燃料電池汽車Mirai使用。據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，豐田下一代燃料電池汽車Mirai可能更換鈦金屬板為不銹鋼材質(zhì)。

空壓機(jī)

燃料電池用空壓機(jī)可分為離心式、羅茨式、螺桿式、渦旋式等，主要作用為將進(jìn)堆空氣增壓。目前，各大車企使用的燃料電池空壓機(jī)類型不*相同。如本田汽車公司將上一代燃料電池汽車FCX-Clarity搭載的螺桿式空壓機(jī)更換為離心式(混流式兩級增壓空壓機(jī))；豐田汽車公司將旗下2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料電池汽車搭載的渦旋式空壓機(jī)更換為六葉羅茨式；戴姆勒旗下xinGLC F-Cell燃料電池汽車采用離心式空壓機(jī)，取代前幾代的螺桿式和膨脹機(jī)結(jié)合形式。

豐田Mirai六葉羅茨式空壓機(jī)

燃料電池用空壓機(jī)需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快等特點。豐田公司第yi代Mirai燃料電池汽車搭載了由豐田紡織公司開發(fā)的六葉羅茨式空壓機(jī)。羅茨式空壓機(jī)的優(yōu)勢有：轉(zhuǎn)速較低，不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承；運行區(qū)較寬；技術(shù)相對成熟。羅茨式空壓機(jī)缺點有：氣體噪音大；效率低；壓比低。業(yè)內(nèi)人士表示，離心式空壓機(jī)(兩級增壓或帶膨脹機(jī))因功率密度、效率和噪聲等方面具有hao的總體效果，是未來燃料電池空壓機(jī)的主流發(fā)展趨勢。據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，豐田公司也在著手開發(fā)離心式空壓機(jī)，豐田下一代燃料電池汽車Mirai可能采用離心式空壓機(jī)。

羅茨式空壓機(jī)工作原理

增濕器

質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過程為：陽極側(cè)氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，失電子產(chǎn)生氫離子；氫離子通過濕潤膜到達(dá)陰極側(cè)；陰極側(cè)氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，與氫離子結(jié)合發(fā)電。質(zhì)子交換膜中質(zhì)子的傳導(dǎo)嚴(yán)重依賴于水環(huán)境。膜干燥引起質(zhì)子傳導(dǎo)率降低，性能降低；膜過濕引起電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域堵水和膜溶脹。

在燃料電池系統(tǒng)中，增濕器是調(diào)節(jié)進(jìn)氣濕度的關(guān)鍵零部件。增濕器的核心工作過程為：電堆陰極側(cè)出口濕潤空氣流經(jīng)增濕器(增濕器濕側(cè))；濕潤空氣攜帶的水分反擴(kuò)散至另一側(cè)(增濕器干側(cè))；空氣經(jīng)加壓后流經(jīng)增濕器干側(cè)后被濕潤進(jìn)入電堆。

豐田上一代FCHV-adv燃料電池汽車增濕器

豐田汽車公司在2014年發(fā)布的量產(chǎn)燃料電池汽車Mirai上取消了增濕器，宣稱實現(xiàn)了電堆內(nèi)部水循環(huán)-自增濕。與豐田上一代FCHV-adv燃料電池汽車相比，增濕器的取消直接降低燃料電池系統(tǒng)體積13 L，降低燃料電池系統(tǒng)質(zhì)量15 kg。豐田汽車公司宣稱，通過超薄膜、進(jìn)氣方向相反和氫氣循環(huán)等方式實現(xiàn)了燃料電池堆自增濕。但燃料電池系統(tǒng)中增濕器的取消影響了電堆的輸出性能和耐久性，增濕器取消對電堆性能影響大小與電池流場結(jié)構(gòu)、材料親疏水性、電極和零部件性能嚴(yán)格相關(guān)。盲目取消增濕器換來的系統(tǒng)體積和成本降低只會降低燃料電池堆輸出功率和耐久性。

豐田Mirai電堆陰極濕度敏感度分析

目前，國內(nèi)裝車的燃料電池系統(tǒng)中，絕大部分采用了增濕器。據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，豐田下一代Mirai燃料電池系統(tǒng)中又加入了增濕器。