3 燃料电池堆栈的构成和工作原理
    丰田Mirai车搭载的燃料电池堆栈（图3）是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114 kW的发电功率。虽然氢燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但氢燃料电池却不是利用燃烧来获取能量的，而是利用氢气与氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程最关键的技术就是利用特殊的“质子交换薄膜”将氢气拆分，质子交换薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。如图4所示，在燃料电池堆栈里，进行着氢与氧相结合的反应，其过程中存在电荷转移，从而产生电流。与此同时，氢与氧化学反应后正好生成H2O，即水。



    燃料电池堆栈作为一个化学反应池，其最为关键的技术核心在于“质子交换薄膜”。在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层，将氢气分解为带电离子状态，因为氢分子体积小，携带电子的氢可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在携带电子的氢穿越这层薄膜孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过薄膜到达另一端。氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧原子以捕获电子变为氧离子（负电），电子在电极板之间形成电流，2个氢离子和1个氧离子结合成为水，水成为了该反应过程中的唯一“废料”。从本质来讲，整个运行过程就是发电过程。随着氧化反应的进行，电子不断发生转移，就形成了驱动汽车所需的电流。如果说，氢燃料电池车的技术突破是在发明一种汽车，倒不如说是在发明一种全新的“发电机”，然后整合进一部车子里。在燃料电池堆栈中，排布了诸多薄膜，可以产生大量的电子转移，形成供车辆行驶所需的电流。因此Mirai车是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。一般情况下，燃料电池堆栈所产生的整体电压为300V左右，不足以带动一台车用大功率电动机，因此，Mirai氢燃料电池车还装备了燃料电池升压器，将电压升至600V以上，从而顺利驱动电动机。
    丰田的燃料电池堆栈经历了10多年的技术优化，形成了自己的特色结构。丰田汽车公司2008年采用的燃料电池技术如图5所示，由于通路宽度过大，氢氧化学反应产生的副产品水会在通路内堆积，阻碍氧向催化剂层扩散，降低发电效率。Mirai氢燃料电池车采用新型高性能燃料电池，阴极采用了3D立体精微流道技术（图6）,氢氧化学反应中产生的水可以通过3D立体精微流道迅速排出，防止堆积的水对氧气的进一步进入产生阻碍，使空气可以充分通过微流道流动与催化剂层（采用铂钻合金催化剂，活性提升1.8倍）接触；正极的质子交换薄膜被做得更薄（厚度减小1/3，导电性提高3倍），气体在扩散层（采用低密度材料）的扩散性得到提升，催化剂层处于“超激活”状态，显著提升了电极的响应性能，有效地改善了发电效率，因此，整个燃料电池堆栈的发电效率达到了3.1 kW/L，是2008年丰田燃料电池技术的2.2倍。

    4．高压储气罐
    了解氢气物理特性的人都知道，氢气和汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低，并且非常难液化，常温下更是无法液化，因此氢气要安全储藏和运输并不容易，所以，氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小2个储氢罐，通过高压的方式尽可能多地充入氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了70 MPa（也就是700个大气压）的高压储气罐（图7）。 2个储氢罐总的容量是122.4 L，采用70 MPa，也只能容纳约5 kg的氢气，因此实际上燃料的质量并不大，反而储氢罐特别笨重。

    为了在承受70 MPa的前提下仍旧保持行驶安全性，所以储氢罐被设计成4层结构，铝合金的罐体内部衬有塑料密封内衬，外面包裹一层碳纤维强化塑料抗压层，抗压层外侧再增加一层玻璃纤维强化塑料外壳，起到减振保护作用，并实现外壳的轻量化，并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化，使纤维顺着压力分布的方向，提升保护层的效果。多重纤维材料的组合应用及不同的纤维编制形式，能够有效发挥各种纤维的物理特性，适应不同的罐体区域的受力情况，可以减少40％的纤维用量。

上一页  [1] [2] [3]  下一页