豐田新MIRAI燃料電池電極材料的創新設計

更新時間：2022-05-26

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導語：輛MIRAI于2014年推出，是一輛商業化的燃料電池汽車。新Mirai的研發是為了以更高的性能和更低的成本大規模生產，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-電極材料的創新，這些技術是為了提高功率密度和減小尺寸而開發的。

相比代MIRAI中使用的燃料電池電堆，新MIRAI電堆實現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組件與電堆集成到一起，使FC系統更加緊湊，并可以安裝在發動機艙內。此外，新的燃料電池電堆的成本減少到之前的四分之一，生產率也得到了提高。這是通過開發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量，質子導電性(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新將每電極單位面積的功率密度提高了15%(圖4所示)。