豐田新MIRAI燃料電池電極材料的創(chuàng)新設計

更新時間：2022-05-26

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導語：輛MIRAI于2014年推出，是一輛商業(yè)化的燃料電池汽車。新Mirai的研發(fā)是為了以更高的性能和更低的成本大規(guī)模生產(chǎn)，目的是進一步推廣燃料電池汽車。本文將介紹新MIRAI中燃料電池電堆的關鍵技術-電極材料的創(chuàng)新，這些技術是為了提高功率密度和減小尺寸而開發(fā)的。

相比代MIRAI中使用的燃料電池電堆，新MIRAI電堆實現(xiàn)了世界上高的體積功率密度 (5.4kW/L, 去除端板)。體積功率密度比代燃料電池電堆提高了1.5倍。同時將DC/DC轉換器、FC控制器等燃料電池系統(tǒng)組件與電堆集成到一起，使FC系統(tǒng)更加緊湊，并可以安裝在發(fā)動機艙內(nèi)。此外，新的燃料電池電堆的成本減少到之前的四分之一，生產(chǎn)率也得到了提高。這是通過開發(fā)一種需要較少鉑的電極、雙極板的role to role表面處理技術和單電池高速粘附密封( high-speed adhesion sealing of cells)技術來實現(xiàn)的。

提高電流密度是提高功率性能和減小尺寸的重要手段。在新MIRAI中，通過采用新開發(fā)的流場結構和電極組件材料，改善了排水性能和氧氣在電極催化劑層中的分散，功率性能提高了15%。

電極材料的創(chuàng)新

通過采用新的電極材料，特別是催化劑和離聚體 (ionomer)，電流密度增加了如圖1所示的特性。

圖1. 新燃料電池電堆電極參數(shù)指標

上一代的燃料電池電堆使用低比表面積碳(LSAC)作為催化劑載體，以提高鉑的利用率。然而，在使用LSAC載體時，由于離聚體(ionomer)覆蓋在鉑表面上，易產(chǎn)生磺酸(sulfonic acid)中毒，催化活性(catalytic activity)往往會下降。為了解決這一問題，開發(fā)了介孔碳(mesoporous carbon)作為催化劑載體。單電池中約80%的鉑是在介孔碳的孔中攜帶的。通過減少離聚體與鉑表面的接觸來抑制磺酸中毒。通過使用這種對策和提高PtCo合金催化劑的固溶性提高了約50%的催化活性(圖2所示)。

圖2. 介孔碳(mesoporous carbon)催化劑載體

此外，還新采用了一種高氧滲透離聚體(high oxygen permeable ionomer)，其氧滲透性能比之前FC電堆中使用的離聚體高出3倍。通過增加酸性官能團數(shù)量，質(zhì)子導電性(proton conductivity)也提高了1.2倍(圖3所示)。

圖3. 離聚體(ionomer)性能對比

通過增加back sheet layer ratio，質(zhì)子交換膜的強度提高了10倍，厚度降低了約29%。膜的強化減少了hydrogen crossover量，而膜的變薄使質(zhì)子的電導率提高了1.5倍。在GDL中，降低碳紙材料密度和增加孔隙尺寸可使氣體擴散特性提高25%。最終通過流場設計和電極材料創(chuàng)新將每電極單位面積的功率密度提高了15%(圖4所示)。