通過減少高成本材料使用量和精簡結(jié)構(gòu)等措施，豐田第二代Mirai燃料電池堆在第一代基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)數(shù)減少40節(jié)、單位功率鉑金量降低58%、單體厚度降低15%。其中，第二代燃料電池陰極板由三維超精細網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S變徑直流道流場結(jié)構(gòu)。本文分享豐田第二代Mirai燃料電池基于強化氣體傳質(zhì)和排水的陰極變徑流場技術(shù)。



為實現(xiàn)反應(yīng)氣向膜電極的高效供給和水管理，豐田第一代Mirai全球首創(chuàng)和使用了具有三維超精細網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的3D fine-mesh流場。通過窄化脊寬(提高空氣對流、排水性能)和極板表面處理(優(yōu)化親/疏水特性)，實現(xiàn)電池平面內(nèi)發(fā)電高度一致性。鑒于3D流場結(jié)構(gòu)、加工和表面處理復(fù)雜等因素，豐田第二代Mirai燃料電池陰極側(cè)采用了伴隨有變徑(或節(jié)流)結(jié)構(gòu)的2D直流道流場。通過對預(yù)涂層基材直接沖壓成形，第二代Mirai燃料電池陰極流場板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效和簡化。


豐田燃料電池堆成本變化

通常，燃料電池的陰陽極流場形狀因各自的需求特性不同而變化。例如，對于陰極氣體流路，優(yōu)選排水容易的流路形狀；對于陽極，優(yōu)選提高氫氣利用率的流路形狀。另外，根據(jù)氣體歧管孔的位置，優(yōu)選的流路形狀也不盡相同。豐田在2014年底發(fā)布的第一代Mirai燃料電池陰陽極分別采用了3D流場和蛇形流場，如下圖所示。與第一代不同，豐田第二代Mirai燃料電池陽極采用彎折波紋形流場，陰極采用基于強化傳質(zhì)和排水的變徑結(jié)構(gòu)直流場。(欲了解相關(guān)產(chǎn)品信息請?zhí)砑有【幬⑿臜ydrogenPhd)


豐田第一代Mirai單電池結(jié)構(gòu)


豐田第二代Mirai單電池結(jié)構(gòu)

如下圖示意，第二代Mirai燃料電池陰極反應(yīng)區(qū)流場中流道沿極板長度方向直線平行延伸，可提高反應(yīng)生成水的排水效率。在各陰極氣體流道中以相同間距Pt分別設(shè)置多個變徑(或節(jié)流)結(jié)構(gòu)，并且相鄰流道的節(jié)流部相互錯開1/2*Pt間距。在節(jié)流部位，氣體流路的高度和寬度都減小，流通面積隨之減小。據(jù)豐田專利調(diào)研，節(jié)流部位的流通面積可設(shè)置為非節(jié)流部位流通面積的10%~80%范圍內(nèi)。同時，為抑制節(jié)流部位因表面張力作用引起的液態(tài)水滯留現(xiàn)象，節(jié)流部位流通面積不宜設(shè)置過小，可設(shè)定節(jié)流部的等效圓半徑處于100~600 μm范圍。

豐田第二代Mirai燃料電池陰極流場變徑結(jié)構(gòu)

為更好展示節(jié)流部位的空間結(jié)構(gòu)，選取了節(jié)流部位和非節(jié)流部位的剖視圖，如下圖所示?？梢钥吹?，節(jié)流部位槽深Hs比非節(jié)流部位槽深Hb小，槽寬Ls也比非節(jié)流部位的寬度Lb小。需要注意，縮小槽寬可引起脊部變寬，導(dǎo)致陰極氣體難以向鄰近非節(jié)流部位的氣體擴散層擴散。因此，節(jié)流部寬度Ls不宜過小，可設(shè)定其為非節(jié)流部位槽寬的30%~90%范圍內(nèi)。此外，為減少生成水附著于斜面，節(jié)流部位在極板長度方向上的斜面與法向形成的角度可設(shè)定處于10°~80°范圍內(nèi)。


燃料電池陰極流場變徑剖視

為說明節(jié)流對提高傳質(zhì)效率和排水能力的作用，引入下圖陰極氣體在變徑流場中流動過程示意圖(不計反應(yīng)氣體消耗)。當相對流量為3的陰極氣體分別向上、下兩條流道流入時，通過在節(jié)流部位的上游側(cè)與鄰近流道的非節(jié)流部位產(chǎn)生壓差，上流道將通過氣體擴散層向下流道流入相對流量為1的氣體，下流道中將產(chǎn)生相對流量為4的氣體。因此，通過在鄰近流道平行方向上設(shè)置彼此不相鄰的節(jié)流部位，可在鄰近流道中之間產(chǎn)生較強的氣體移動，提高氣體的利用效率和發(fā)電一致性。(欲了解相關(guān)產(chǎn)品信息請?zhí)砑有【幬⑿臜ydrogenPhd)


陰極變徑流場氣體流動示意

為增加氫氣利用率，陽極通常采用彎曲流道，如正弦波狀、交替半圓和彎折等。第二代Mirai燃料電池陽極側(cè)使用彎折波紋形的非變徑流道，和陰極變徑流道匹配時應(yīng)避免出現(xiàn)接觸面積減少導(dǎo)致壓縮力過度集中現(xiàn)象。因此，節(jié)流部位可設(shè)置在陰極氣體流道和陽極氣體流道交叉位置意外的區(qū)域。