豐田公司于2014年12月推出新型燃料電池車（FCV）“未來（MIRAI）”，是燃料電池汽車進(jìn)入銷售階段的第一步。這得益于豐田燃料電池系統(tǒng)（TFCS）的最新應(yīng)用。TFCS進(jìn)一步強(qiáng)化了FCV的技術(shù)優(yōu)勢，并且大大降低了燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)成本。而成本問題一直以來都是FCV系統(tǒng)商業(yè)化的主要障礙。

1 前言

近年來，作為解決環(huán)境、能源問題的手段，電、氫等能源的應(yīng)用備受期待。特別是以氫作為燃料的燃料電池汽車（FCV）,作為綠色能源，具有高效率和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。通過使用電機(jī)獲得行駛的平順性和舒適性，且其續(xù)航里程和填充時間與汽油車接近，作為具有行駛樂趣與良好的使用便利性的代替能源車而備受矚目。

豐田汽車對以氫作為燃料的燃料電池（FC）系統(tǒng)的開發(fā)始于1992年，在2002年12月率先開始了燃料電池汽車的限定租賃。此后經(jīng)過了反復(fù)的改良，于2008年推出豐田FCHV-adv（圖1），解決了續(xù)航里程和在冰點(diǎn)下的起動性問題，驗(yàn)證了燃料電池車代替能源車的高潛力性。

2 TFCS的開發(fā)

2014年12月,豐田汽車率先開始量產(chǎn)型燃料電池家用車（MIRAI）并進(jìn)行銷售（圖2）。在MIRAI上采用了豐田燃料電池系統(tǒng)（TFCS），其開發(fā)目標(biāo)為：成為具有全面普及魅力、能被稱之為世界領(lǐng)先“商品”的燃料電池。TFCS在對性能與舒適性進(jìn)行進(jìn)一步磨煉的同時，大幅度地降低了作為商品化最大難題的燃料電池系統(tǒng)成本。在本文中，以降低成本的方法為中心，就TFCS的系統(tǒng)單元的開發(fā)進(jìn)行介紹。

3 降低燃料電池系統(tǒng)成本的方法

燃料電池系統(tǒng)成本高的要因大致包括： 燃料電池固有材料價格高、燃料電池車專用系統(tǒng)復(fù)雜（零部件個數(shù)多）、量產(chǎn)效果小等（表1）。下文就這些要因展開介紹。

3.1 降低燃料電池固有材料成本

在燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中，采用了大量的高價材料，如燃料電池Pt觸媒和高壓氫儲存箱的碳素纖維。在豐田FCHV-adv的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池固有材料費(fèi)所占的比率相當(dāng)高（圖3）。

TFCS通過對燃料電池單元的小型輕量高性能化來降低材料的使用量，并盡可能用通用材料替代高價材料，以降低材料成本。

3.1.1降低燃料電池組的材料成本

3.1.1.1單元流路構(gòu)造的革新

傳統(tǒng)的FC組單元流路構(gòu)造是1種常見的凹槽流路，與電極接觸的流路載電下生成水容易滯留，由于氧擴(kuò)散不良，造成發(fā)電不均（圖4）。對此展開了相關(guān)的討論研究，即通過采用發(fā)泡燒結(jié)體等多孔體流路，由通過細(xì)孔的毛管力將生成水從電極吸出，以確保氧的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)高性能化，但這又出現(xiàn)了高壓損傷、多孔體內(nèi)殘留水及制造質(zhì)量和成本等問題。

在本次的新型燃料電池組當(dāng)中，以確保提高電流密度與電壓穩(wěn)定性為目標(biāo)，作為空氣流路開發(fā)出了革新性的3D細(xì)網(wǎng)流路（圖5）。3D細(xì)網(wǎng)流路為三維的微細(xì)格子流路，通過使空氣向接觸電極的方向以紊流形式流動，來促使氧向觸媒層的擴(kuò)散。另外，通過流路內(nèi)外形狀的最佳化與流路表面的親水性，使生成水快速地從電極排出，抽出到流路表面，防止由于流路堵水造成氣體流動不暢，以此實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)面的發(fā)電均一和降低電池組之間電壓的誤差。此外，在電池組內(nèi)面可以改變網(wǎng)流路形式，在空氣極上流部分緩和紊流，即使在無外部加濕（后述）的情況下也能夠控制電極的干燥。

3.1.1.2電極的創(chuàng)新

新型電池組的催化劑通過采用最佳的Pt/Co合金比例，使催化活性提高了1.8倍。除此之外，將碳載體從原來的中空型轉(zhuǎn)化為中實(shí)型，減少載體內(nèi)部難以有效發(fā)揮機(jī)能的Pt催化劑，使Pt利用率提高了約一倍。

這樣改善電池組流路構(gòu)造及電極的結(jié)果是： 通過提高氣體擴(kuò)散性減低了濃度過電壓；通過提高質(zhì)子傳導(dǎo)性降低了電阻過電壓；通過提高催化活性降低了活性過電壓；在相當(dāng)單位面積，大幅增大了可發(fā)電電流，使電流密度為原來的2.4倍（圖6）。

根據(jù)上述的高性能化（電流密度2.4倍），相當(dāng)功率的電極面積減少59%，加上Pt催化劑利用率的提高，能夠?qū)t用量減至原來的1/3（圖7），同時也減少了相當(dāng)單位面積的電極材料成本。另外，通過使電解質(zhì)膜的1/3的薄膜化，也減少了高價電解質(zhì)聚合物的使用量。

3.1.1.3隔板等的低成本化

為了減少接觸阻力與確保耐腐蝕性，原有電池在基礎(chǔ)材料不銹鋼（SUS316L）上進(jìn)行了昂貴的Au的表面鍍層處理。通過將基礎(chǔ)材料更換為耐腐蝕性良好的鈦，將表面處理所追求的機(jī)能簡化為只是降低接觸阻力，由此可將原來的Au鍍層更改為按照新規(guī)所開發(fā)的碳納諾鍍層PAC，這就廢止了隔板中貴金屬的使用，大幅度削減了成本（圖8）。

另外，燃料電池組（組套）的緊固結(jié)構(gòu)也通過功能整合簡化，減少了緊固部件的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)低成本化。

經(jīng)以上改良，新型的燃料電池組（組套）體積功率密度達(dá)到原來的2倍以上（3.1 kW/L）（圖9），最大功率從原來的90 kW提高到了114 kW，相當(dāng)電池組的功率提高了36%。另外，通過高電流密度化（2.4倍）及薄型化（減少20%），電池組的體積實(shí)現(xiàn)了24%的小型化。此外，將隔板由不銹鋼更改為密度較小的鈦合金，使得電池組的質(zhì)量減少了39%。

3.1.2降低高壓氫儲藏罐的材料成本

3.1.2.1低成本碳素纖維

在高壓氫儲藏罐的成本中，碳素纖維占有的比例較大，因此纖維的低成本化和減少其使用量十分重要。傳統(tǒng)方式是采用在飛機(jī)上使用的高級別碳素纖維；而TFCS通過與碳素纖維廠家的協(xié)作，對通用級別件進(jìn)行改良，使得其強(qiáng)度提高到飛機(jī)用碳素纖維的水平，實(shí)現(xiàn)了碳素纖維的低成本化。

3.1.2.2減少碳素纖維的使用量

圖10表示的是高壓氫儲藏罐。高壓儲藏箱是由封入最內(nèi)層的氫的樹脂襯套、承受其外側(cè)強(qiáng)度的碳素纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）層及兩端的鋁質(zhì)蓋等構(gòu)成。為了低成本化與輕量化，主要對FCRP積層進(jìn)行了修正，目的在于大幅度地降低CFRP的使用量。

高壓氫儲藏罐的CFRP積層由承受主體部強(qiáng)度的環(huán)箍圈（圓周方向）、承受圓頂部強(qiáng)度（軸向）的螺旋圈及加強(qiáng)其邊界部的高角度螺旋圈3種組合而成（圖11）。

其中，高角度螺旋圈與軸向呈約70°纏繞，當(dāng)然也纏繞圓頂部，但如圖12所示，其承受圓周方向的應(yīng)力較小，對儲藏罐的加強(qiáng)沒有太大的貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)款式中高角度螺旋圈占CFRP層整體約25%，針對此開發(fā)了不使用對邊界部進(jìn)行加強(qiáng)的高角度螺旋圈也能夠?qū)崿F(xiàn)的積層方法（圖13）。

對傳統(tǒng)積層法的變更主要包括以下3點(diǎn)：（1）變更襯套形狀，使邊界部平坦化，變更為能夠環(huán)箍圈積層；（2）在襯套的平坦部，由環(huán)箍圈來形成原來襯套的形狀，加強(qiáng)邊界部；（3）使環(huán)箍圈在內(nèi)層集中積層。

通過上述更改，在廢除高角度螺旋圈的基礎(chǔ)上，通過在發(fā)生應(yīng)力較高的內(nèi)層一側(cè)集中圓。

周效率較高的環(huán)箍圈，針對傳統(tǒng)積層可削減20%的CFRP質(zhì)量用量。此外通過蓋子形狀的最佳化處理，結(jié)合削減CFRP，實(shí)現(xiàn)了世界最高水平的氫儲藏性能，可儲藏的氫質(zhì)量與罐系統(tǒng)質(zhì)量僅5.7%，對高壓氫儲藏罐的低成本化做出巨大貢獻(xiàn)（圖14）。

3.2 FC系統(tǒng)簡單化

為實(shí)現(xiàn)FC系統(tǒng)的簡單化，廢除部件和整合是必不可缺的。傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)見圖15，TFCS的構(gòu)成見圖16。在留用部件的基礎(chǔ)上，推進(jìn)部件的整合。

3.2.1廢除加濕器

在燃料電池系統(tǒng)簡單化當(dāng)中，特別是在TFCS中廢除了外部加濕器。為保證燃料電池電解質(zhì)膜內(nèi)的離子傳導(dǎo)，膜需含有適當(dāng)?shù)乃郑舜瓮ㄟ^燃料電池組（組套）與系統(tǒng)控制的改良，廢除了加濕器，即由空氣一側(cè)（負(fù)極）下流的生成水對由氫一側(cè)（陽極）的內(nèi)部循環(huán)所產(chǎn)生空氣一側(cè)上流進(jìn)行加濕（圖17）。

新型電池組的結(jié)構(gòu)是針對空氣流路和夾電極兩端，在宏觀上形成對流（圖18），靈活運(yùn)用電池組內(nèi)空氣流路下流的生成水（逆擴(kuò)散水），在氫流路上流部加濕氫，通過氫的流動將水蒸氣運(yùn)送到氫下流部，通過電解質(zhì)膜使水逆擴(kuò)散，對電極容易干燥的空氣流路上流部進(jìn)行加濕。另外，電解質(zhì)膜薄膜化至原來的1/3，在促進(jìn)生成水逆擴(kuò)散的同時，將質(zhì)子傳導(dǎo)性提高了2倍。

由此實(shí)現(xiàn)了通過生成水的電池組內(nèi)部循環(huán)來進(jìn)行自身加濕，即使不采用外部加濕器也能夠?qū)崿F(xiàn)高溫性能。

3.2.2減少高壓氫儲罐個數(shù)

傳統(tǒng)款式將高壓氫儲罐配置在4個底板上，但各儲罐上所安裝的閥類價格高昂，成為高成本的原因，因此需要減少高壓氫儲罐個數(shù)。此外，在開發(fā)未來家庭用燃料電池車時，如果儲罐個數(shù)過多會妨礙插接。

為了減少儲罐的個數(shù)，需要通過改善燃耗來降低配置的氫量；為了在有限的空間當(dāng)中裝載更多的氫就需要高效率的儲罐。MIRAI在燃油性上與前款相比改善了約20%，并且為了在不損害家庭車輛乘座空間的條件下裝載所必要的氫量，通過新開發(fā)出2種不同形狀的儲罐減少了2個儲罐。

3.3 運(yùn)用量產(chǎn)部件

在引進(jìn)燃料電池車的初期，預(yù)計(jì)市場規(guī)模不大于汽油車，因此很難通過單純的量產(chǎn)來降低成本。為此，對于電機(jī)系統(tǒng)與燃料電池的系統(tǒng)部件，盡量采用現(xiàn)有的量產(chǎn)部件以降低成本。

為了最大限度地留用豐田混合動力車上量產(chǎn)的電機(jī)系統(tǒng)部件，配合其部件的規(guī)格，對系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行了更改。在豐田燃料電池車的電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成（圖19），傳統(tǒng)款（圖19（a））燃料電池組（組套）與逆變器被直接連接，為了實(shí)現(xiàn)同電壓，需分別專門設(shè)計(jì)符合燃料電池的特性（低電壓、大電流）的電機(jī)與逆變器。

通過新增加轉(zhuǎn)換燃料電池電壓的燃料電池增壓轉(zhuǎn)換器（FDC）（圖19（b）），電機(jī)與逆變器就可以留用量產(chǎn)混合動力車的部件（高電壓、低電流），實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的小型、低成本化。另外，在FDC的構(gòu)成部件IPM與電抗器等上，也大多采用量產(chǎn)混合動力車的部件，以降低成本。

4 總結(jié)

燃料電池車的量產(chǎn)化、商品化是包括協(xié)作公司在內(nèi)的眾多相關(guān)者經(jīng)過漫長而曲折的道路而獲得的成果，同時也是為大量普及而進(jìn)行漫長挑戰(zhàn)的開始。

對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)移動及能源多樣化，作為最具有未來性的高技術(shù)之一，今后為了地球、未來、人類，也將推進(jìn)對燃料電池車的開發(fā)，并將與政府、相關(guān)行業(yè)一起積極地為形成氫氣社會而努力。