丰田燃料电池车Mirai降成本途径

丰田Mirai的发布第一次让燃料电池汽车不仅在性能上同时在成本上也能够和传统汽车相竞争。把燃料电池汽车的价格降到普通汽车水平，丰田是如何做到的呢？...



燃料电池汽车在十几年前就已经被行业一致看好，但这么多年燃料电池汽车一直都不能从实验室和展馆真正走上马路，原因之一在于成本太高。而丰田Mirai的发布第一次让燃料电池汽车不仅在性能上，而且在成本上也能够和传统汽车相竞争。

把燃料电池汽车的价格降到普通汽车水平，丰田是如何做到的呢？

以下是造成燃料电池车高成本的三个主要因素，以及丰田所采取的相对应的措施。

1.规模效应

目前燃料电池车处于发展初期，销量不够大，因此很难像传统汽油车那样通过批量生产的方式来降低成本。而混合动力车已经量产。因此，在Mirai上沿用混动车型量产部件是一条有效的减少成本的方式。

丰田2008年推出的燃料电池混合动力车FCHV-adv（Fuel Cell Hybrid Vehicle-advanced），燃料电池和逆变器是直接连在一起的，使用相同电压。由于燃料电池高电流低电压（240V）特性，车上使用的电机和逆变器都需要专门开发以匹配燃料电池的电压特性。





丰田混合动力系统的电机所用最高电压为650V,因此Mirai在燃料电池和逆变器之间加装了一种叫FDC的升压器，这样一来丰田量产的混合动力车型上使用的650V电机和逆变器可以直接应用在燃料电池车上。其他一些零部件例如智能功率模块等也可以直接整合到燃料电池车上，这样一来便可以利用混动车型的量产规模效应来降低成本。

2.简化燃料电池系统

取消和合并零部件是简化系统最有效的方式，Mirai的燃料电池系统取消了外部增湿器和氢气稀释器，高压氢瓶数量减为2个，空压机类型由涡旋式改为罗茨式，同时将进气阀和分流阀合并、排气阀与调压阀合并。图中标注蓝颜色的部分是燃料电池系统中合并或取消的零部件。



3.燃料电池系统特殊材料

燃料电池系统中采用了大量价格昂贵的材料，例如铂金催化剂和碳纤维高压氢瓶。丰田2008年推出的FCHV-adv燃料电池系统中使用特殊材料的比例很高。



Mirai的燃料电池系统采用了更少、更轻、性能更好的普通材料来代替高价特殊材料，从而减少了成本。

丰田如何通过技术创新来简化系统、减少特殊材料用量呢？

1.新型燃料电池电堆

燃料电池电堆中的质子交换膜采用的是一种特殊材料，并且用铂作催化剂，电堆中的隔膜表面要做镀金处理来减少接触阻抗以及增强耐腐蚀性，这些因素导致了燃料电池电堆的高成本。而且这些因素所造成的高成本无法通过规模效应来减少。丰田在新电堆中应用了很多创新技术，提高性能的同时降低了成本。



① 新型电池流场结构

传统燃料电池电堆的流场结构通常采用直槽，这种结构容易造成脊下方液态水的累积，阻碍氧气的扩散，从而造成燃料电池内部发电不均匀。



为了提高电流密度同时保持电压的稳定性，新的电堆采用了一种新型三维微孔空气流场。这种流场是一种三维微晶格结构，可以使氧气以湍流的形式向阴极催化层扩散。流场正面和背面的形状以及表面的亲水性有利于快速的将极板产生的水吸收到流场的背面。这样可以防止流场积水对于气流的阻碍，使得每片电池内的发电更加均匀，电堆内各片电池之间的电压差异更小。



这种三维微孔空气流场的表面形状有利于减轻空气入口处的湍流强度，有效的抑制了空气对阴极电极的干燥作用。除此以外，通过整合氢气流场和冷却液流场使得氢气和空气在极板的两面相向流动。空气出口产生的水通过反向扩散给入口处的氢气加湿。而氢气循环泵可以将水蒸气输送至空气入口处给流场加湿，这样电堆内部可以实现自增湿不需要外部增湿器。取消外部增湿器简化了系统，同时降低了成本。

② 新型电极

为了提高性能，新电堆质子交换膜的厚度减薄了三分之二，促进了水的反向扩散，使得质子导电率提高为原来的三倍；同时，高价聚合物电解质（electrolyte polymer）的用量也相应的减少。通过优化铂钴合金比，催化剂的性能提高了80%；催化剂的碳载体也由空心体改为实体，这使得铂金催化剂只能附着于碳载体表面而不会进入到内部空心中，铂的利用率提高为原来的两倍，铂的消耗量减少了三分之二。这些技术创新大大降低了单位面积电极的材料成本。


③ 新型隔板

丰田FCHV-adv电堆隔板的基体材料为不锈钢(SUS 316L)，其表面要做镀金处理来减少接触阻抗以及增强耐腐蚀性，Mirai隔板的基体材料由不锈钢换成了耐腐蚀性高的钛。从而使得表面处理的功能仅仅是用于降低接触电阻。因此，丰田采用了一种新型的碳纳米涂层技术代替镀金处理。通过取消贵重金属的使用，隔板成本大幅下降，同时重量减轻了39%。

④ 紧固方式

FCHV-adv中燃料电池采用双行排列方式，使用浮动端板来实现恒压紧固。Mirai的燃料电池采用单行排列，恒距紧固方式。从而简化了电堆的紧固结构，减少了紧固件数量，电池功率密度得到提高，成本降低。丰田通过技术创新使得Mirai的燃料电池电堆功率密度达到3.1kW/L ，最大功率由90KW增加到了114KW，体积下降了24%，重量减轻了39%。燃料电池在功率增加的同时成本大幅下降。

2.新型低成本储氢瓶

Mirai上取消了FCHV-adv的四个氢瓶的结构，采用了两个不同尺寸的氢瓶，在保证足够的储氢容量的同时又不会牺牲车内空间。





Mirai氢瓶的技术创新：

①　新型低成本碳纤维

氢瓶的成本主要来自碳纤维，因此减少碳纤维使用量及成本十分重要。Mirai上用普通碳纤维代替FCHV-adv上使用的高级航空碳纤维。丰田和碳纤维厂商合作，使得普通碳纤维的强度接近高级航空碳纤维的强度水平，从而减少了碳纤维成本。

②　碳纤维强化树脂（CFRP）层缠绕方式

如下图所示，高压氢瓶采用三层结构，内层是密封氢气的树脂内衬，中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂（CFRP）层，表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂外壳。



Mirai氢瓶轻量化瞄准的是中层。中层采用的纤维缠绕工艺，缠绕方法有强化筒部的环向缠绕(黄色线条)、强化边缘的高角度螺旋缠绕（蓝色线条）和强化底部的低角度螺旋缠绕（灰色线条）三种。



FCHV-adv的氢瓶中高角度螺旋缠绕占整个中层结构的25%，Mirai氢瓶CFRP层的缠绕方式有以下变化：


1)     取消高角度螺旋缠绕，通过改变塑料衬里的形状，过渡区域连续弧线改为直线，这样可以用环向缠绕代替高角度螺旋缠绕，减少了缠绕的总圈数。

2)     环向缠绕层沿轴向逐渐回缩形成弧顶部的形状，同时提高过渡区域强度。

3)     环向缠绕集中在高应力的内层以确保强度。通过削减这三种方式的缠绕圈数，使CFRP的用量比原来减少了40％。高压氢瓶的储存性能用储氢量除以瓶本体重量得到的重量效率来衡量，通过将CFRP用量减少40％，使重量效率比原来提高了20％，达到了全球最高水平的5.7wt％。

燃料电池汽车的大规模生产和商业化是一个漫长的过程，需要丰田以及其他企业的共同合作，Mirai的发布只是这漫漫长路的第一步。Mirai在日语中意为“未来”，寓意丰田对于Mirai引领汽车未来的期许。丰田将燃料电池汽车作为最具潜力的一种新能源技术进行持续发展。与此同时丰田也将联合政府和其他相关行业，为我们共同生活的地球，为我们的下一代，为我们人类社会的发展，一起向实现氢能社会的理想而努力。

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