燃料动力电池汽车的核心技术

被誉为新一代环保车型的燃料动力电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料动力电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料动力电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料动力电池系统(TFCS)及燃料动力电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料动力电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料动力电池堆的设计过程与燃料动力电池堆内部状态的可视化及计测技术。

0前言

近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不出现CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。

图1丰田公司2050年的车型生产目标

FCV具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于重要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料动力电池系统的新型燃料动力电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。

图2相关车型和行驶里程分布示意图

图3新型燃料动力电池城市客车“SORA”

图4用于8级验证的货车(针对美国市场)

1丰田公司燃料动力电池系统

丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料动力电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料动力电池系统(TFCS)(图5)。

图5HV、pHV、EV、FCV动力系统

燃料动力电池系统由进行发电的燃料动力电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料动力电池堆发出的电能通过燃料动力电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料动力电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料动力电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料动力电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。

图6燃料动力电池系统示意图

图7高电压系统示意图

2燃料动力电池堆

燃料动力电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MpL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。

图8TFCS的燃料动力电池组与单电池结构示意图

丰田公司通过对燃料动力电池流道及MEA进行改进，使燃料动力电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(3.1kW/L与2.0kW/kg，图9)。结果表明，燃料动力电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为防止降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(pAC)，从而显著降低了成本。

图9丰田公司燃料动力电池堆的功率密度发展趋势

图10单位功率的催化剂铂用量

2.1高电流密度化

电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料动力电池(pEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应新增。通过以上分析，如要实现燃料动力电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料动力电池水管理技术的核心理念。

图11基于燃料动力电池性能的超电压分布示意图

2.2降低浓度超电压

在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MpL及MEA中，从而出现浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料动力电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MpL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。

图12普通凹槽流道与3D细网流道

图13按照流道结构不同，比较GDL内的滞留水量

2.3降低电阻超电压

为了确保pEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料动力电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料动力电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。

图14自加湿概念示意图

燃料动力电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所新增。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料动力电池性能恶化。通过新增包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效新增催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。

图15基于相对湿度的催化剂利用率比较

图16采取对策前后的发电分布情况

另一方面，由于燃料动力电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。

图17氟化物排放率示意图

3燃料动力电池堆的水管理控制

为使燃料动力电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料动力电池的运转条件进行调整。

3.1基于交流阻抗法的含水量计测

图18示出了常规燃料动力电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所新增，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并出现电阻超电压。

图18燃料动力电池等效电路

燃料动力电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。

3.2燃料动力电池堆的自加湿控制

TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以新增氢循环量。在确保了必