[科普中国]-燃料电池动力

燃料电池动力指的是利用燃料电池作为动力的一种驱动方式。

燃料电池电堆组件燃料电池电堆组件包括燃料电池电堆、附件系统和升压 DC/DC，将这些部件集成在一起，使得整个组件更加小型化、轻量化，而且成本更低。

燃料电池电堆及附件系统燃料电池的质子交换膜在运行过程中需要保持湿润，而丰田开创性地实现了无外部加湿器的内部自增湿，这一举措不但简化了附件系统，还减小了整个系统的热容，有利于冷启动。

在燃料电池单片内部，氢气和空气的流动方向是相反的。由于空气入口去除了增湿器，空压机出口大流量的干空气容易引起空气入口膜干。为了解决这一问题，MIRAI 采用更薄的电解质膜促进了生成的水从空气出口向氢气入口反向扩散，氢气再循环泵强制将氢气入口的水向氢气出口传输，而氢气出口富集的水蒸气将扩散到空气入口，缓解此处容易发生的膜干现象。同时，特殊的冷却流场设计有效调节了热的传递，增大空气上游与冷却水的接触面积，抑制温升和水的蒸发，从而防止空气入口膜干。1

原理研究MIRAI 采用的电解质膜的厚度比 FCHV-adv 减小了 2/3，不但增强透水性，还将质子传导率提高到 FCHV-adv 的至少 3 倍。此外，由于低湿度条件下容易产生过氧化氢和羟基自由基，为了减轻这些副产物对电解质膜造成的腐蚀，丰田在膜电极及气体扩散层组件中加入了自由基淬灭剂，并降低了来自附件系统的铁离子污染，从而提高了电解质膜的寿命。

在催化剂层中，丰田通过增加官能团降低了离聚物的当量，同时优化了离聚物的比例，使得质子传导率和气体扩散率均得到了提高。通过铂/钴合金的合理配比和酸性处理，催化剂活性提高到了原来的 1.8 倍。催化剂的碳载体从空心类型改进为实心类型，使得所有的催化剂颗粒均附着在碳载体表面，降低了氧气扩散阻力，并将催化剂在低湿度条件下的有效利用率从约 40% 提高到了 80% 左右。这使得 MIRAI 单位功率的铂用量比 FCHV-adv 减少了 2/3。此外，丰田通过优化催化剂颗粒的大小和分布，抑制了在电压波动时催化剂的流失和偏析，从而阻碍有效反应面积的减小。

在扩散层中，丰田优化了碳纸基材中碳纤维和粘接剂的比例，并采用了更薄的碳纸，碳纸的质量降低了 45%，获得了更高的气体扩散性能。此外，在扩散层和催化剂层的界面处形成了一层粗粒度的炭黑作为微孔层，提高了透水性，改善了排水能力。最终气体扩散能力增强了一倍。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学