丰田新MIRAI燃料电池电极材料的创新设计

相比第一代MIRAI中使用的燃料电池电堆，新MIRAI电堆实现了世界上最高的体积功率密度 (5.4kW/L, 去除端板)。体积功率密度比第一代燃料电池电堆提高了1.5倍。同时将DC/DC转换器、FC控制器等燃料电池系统组件与电堆集成到一起，使FC系统更加紧凑，并可以安装在发动机舱内。此外，新的燃料电池电堆的成本减少到之前的四分之一，生产率也得到了提高。这是通过开发一种需要较少铂的电极、双极板的role to role表面处理技术和单电池高速粘附密封( high-speed adhesion sealing of cells)技术来实现的。

提高电流密度是提高功率性能和减小尺寸的重要手段。在新MIRAI中，通过采用新开发的流场结构和电极组件材料，改善了排水性能和氧气在电极催化剂层中的分散，功率性能提高了15%。

电极材料的创新

通过采用新的电极材料，特别是催化剂和离聚体 (ionomer)，电流密度增加了如图1所示的特性。

图1. 新燃料电池电堆电极参数指标

上一代的燃料电池电堆使用低比表面积碳(LSAC)作为催化剂载体，以提高铂的利用率。然而，在使用LSAC载体时，由于离聚体(ionomer)覆盖在铂表面上，易产生磺酸(sulfonic acid)中毒，催化活性(catalytic activity)往往会下降。为了解决这一问题，开发了介孔碳(mesoporous carbon)作为催化剂载体。单电池中约80%的铂是在介孔碳的孔中携带的。通过减少离聚体与铂表面的接触来抑制磺酸中毒。通过使用这种对策和提高PtCo合金催化剂的固溶性提高了约50%的催化活性(图2所示)。

图2. 介孔碳(mesoporous carbon)催化剂载体

此外，还新采用了一种高氧渗透离聚体(high oxygen permeable ionomer)，其氧渗透性能比之前FC电堆中使用的离聚体高出3倍。通过增加酸性官能团数量，质子导电性(proton conductivity)也提高了1.2倍(图3所示)。

图3. 离聚体(ionomer)性能对比

通过增加back sheet layer ratio，质子交换膜的强度提高了10倍，厚度降低了约29%。膜的强化减少了hydrogen crossover量，而膜的变薄使质子的电导率提高了1.5倍。在GDL中，降低碳纸材料密度和增加孔隙尺寸可使气体扩散特性提高25%。最终通过流场设计和电极材料创新将每电极单位面积的功率密度提高了15%(图4所示)。

图4.燃料电池电堆IV特性对比