日本燃料電池車量產(chǎn)化

1 瞄準(zhǔn)未來目標(biāo)

日本豐田汽車公司的宏偉目標(biāo)是到2050年使新車CO2排放量相比2010年降低達(dá)90%。除此之外，要改變?nèi)蜃兣厔?shì)，也應(yīng)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(fā)與普及，終于在全球率先實(shí)現(xiàn)FCV的量產(chǎn)化，2014年12月，已將燃料電池汽車“未來(MIRAI)”投放市場(chǎng)并進(jìn)行銷售。

2 小型化、輕量化、低成本化

FCV所使用的部件材料價(jià)格是較為昂貴的。為實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，徹底削減了燃料電池(FC)固有的高價(jià)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(shí)現(xiàn)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(chǔ)氫罐由4個(gè)減少到2個(gè)。每個(gè)儲(chǔ)氫罐的碳纖維用量(碳纖維用于強(qiáng)化罐體)也削減了40%左右，并且取消了加濕器。假設(shè)電解質(zhì)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(zhì)膜中移動(dòng)(要求使氫離子透過空氣極側(cè)的電解質(zhì)膜，電解質(zhì)膜越潮濕，透過性越好，進(jìn)而可提高發(fā)電效率)，所以，以往必定會(huì)使用加濕器。使用發(fā)電生成的水在FC電池組內(nèi)部循環(huán)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)電解質(zhì)膜的加濕作用。

此外，并非專門開發(fā)、制造新的車用零部件，而是在電機(jī)及驅(qū)動(dòng)用蓄電池、動(dòng)力控制裝置(PCV)等部件上仍沿用該公司最新的混合動(dòng)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(guī)格較高，所以，開發(fā)出的FC升壓整流器，即可用于HV車型。圖1為FCV車用結(jié)構(gòu)零件。

圖1 FCV車用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件

3 長(zhǎng)達(dá)20年以上的開發(fā)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(fā)計(jì)劃。當(dāng)初曾參與研究開發(fā)工作的技術(shù)人員野野部康宏先生表示“研發(fā)初衷是考慮到了燃料電池是一項(xiàng)充滿前景的技術(shù)，但最初并未考慮到其是否能夠真正研制成功”，其研發(fā)過程和開發(fā)周期可謂漫長(zhǎng)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(dòng)力汽車(FCHV)”。當(dāng)時(shí)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(duì)其進(jìn)行了后續(xù)深入開發(fā)。2010年，豐田公司終于實(shí)現(xiàn)了燃料電池組的量產(chǎn)化，并且在2014年實(shí)現(xiàn)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(zhì)量輕、耐蝕性、表面處理簡(jiǎn)單化等優(yōu)點(diǎn)。在表面處理工藝過程中，為確保導(dǎo)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(chuàng)的3D細(xì)篩網(wǎng)流路

MIRAI車上配裝的新型燃料電池組的單位體積功率已達(dá)到世界頂級(jí)水平，為3.1 kW/L。與2008年的產(chǎn)品相比，該指標(biāo)提高達(dá)2.2倍。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的高性能化，源于開發(fā)了劃時(shí)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(yīng)中生成的水可能會(huì)堵住流路(阻礙空氣流通)，或者滯留在電極內(nèi)，并且阻礙O2向催化劑層擴(kuò)散，并以此降低了發(fā)電性能。如圖2所示，3D細(xì)篩流路(即三維微細(xì)格子流路)是為解決這類問題而開發(fā)的流路結(jié)構(gòu)。由于快速地從電極吸出并生成水，會(huì)使空氣向電極方向以紊流形式流動(dòng)，即可促進(jìn)O2向催化劑層擴(kuò)散。通過使氫自上而下流動(dòng)，使O2自下而上流動(dòng)，同時(shí)由于水浸濕了單電池面，即可做到均勻地發(fā)電。另外，如果氧擴(kuò)散過早，使單電池面內(nèi)干燥，所以將空氣流道的上游部分制成較大的波狀結(jié)構(gòu)，以緩和流動(dòng)。而空氣的下游部分，為促進(jìn)擴(kuò)散，結(jié)構(gòu)上縮小波狀部分，使空氣快速地進(jìn)行流動(dòng)與擴(kuò)散。

圖2 新型單電池

5 高壓儲(chǔ)氫罐的改良

高壓儲(chǔ)氫罐有3層結(jié)構(gòu)，使用壓力為20 MPa，封入最內(nèi)層的樹脂襯套上，設(shè)置確保耐壓強(qiáng)度的碳素纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)層，上面有保護(hù)表面的玻璃纖維強(qiáng)化塑料(GFRP)層。

值得關(guān)注的是CFRP層。在儲(chǔ)氫罐中填充H2時(shí)，為抑制樹脂襯套的膨脹，卷繞了長(zhǎng)達(dá)30 km左右的碳素纖維，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行熱硬化處理。邊界部的纖維相對(duì)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(jìn)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(guān)于安全性，將儲(chǔ)存罐暴露于火焰中，開展燃燒試驗(yàn)。儲(chǔ)氫罐的閥門配備有在110 ℃左右溫度下才會(huì)熔化的零件(易熔塞)，即使周圍發(fā)生火災(zāi)，易熔塞會(huì)隨之啟動(dòng)，釋放出H2，因此不會(huì)引起儲(chǔ)氫罐本體的破損。

另外，將原來耗時(shí)達(dá)10 min的H2填充時(shí)間大幅度壓縮至3 min。因?yàn)镠2壓縮后溫度會(huì)有所升高，所以，充入溫度約為-40 ℃的H2，并且需確保儲(chǔ)氫罐內(nèi)的溫度傳感器處于安全狀態(tài)。

圖3 CFRP的纏繞方法

6 豐田公司已全力投入開發(fā)

開發(fā)MIRAI車型時(shí)，分析技術(shù)是必不可少的。例如，觀察冰點(diǎn)下發(fā)電情況，發(fā)現(xiàn)燃料電池中的水并未發(fā)生凍結(jié)，這表明即使在冰點(diǎn)下，燃料電池依然可持續(xù)進(jìn)行發(fā)電。在其發(fā)電過程中持續(xù)進(jìn)行觀察是一項(xiàng)較為困難的技術(shù)，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(shí)間生產(chǎn)了約700輛MIRAI車，2016年生產(chǎn)了約2 000輛車，2017年生產(chǎn)了約3 000輛，生產(chǎn)輛數(shù)已開始逐步增加，并隨之制定了推廣普及FCV車的重要計(jì)劃。為普及FCV，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省制定的規(guī)劃是，到2020年將建設(shè)約160處加氫站，到2025年建設(shè)約320處氫站。但是，燃料電池的發(fā)展道路依然漫長(zhǎng)，而且，如果燃料電池車無法實(shí)現(xiàn)小型化并降低成本，就難以得到普及。為了保護(hù)賴以生存的環(huán)境，今后還需持續(xù)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。