豐田公司于2014年12月推出新型燃料電池車（FCV）“未來（MIRAI）”，是燃料電池汽車進入銷售階段的第一步。這得益于豐田燃料電池系統（TFCS）的最新應用。TFCS進一步強化了FCV的技術優勢，并且大大降低了燃料電池系統的技術成本。而成本問題一直以來都是FCV系統商業化的主要障礙。

1 前言

近年來，作為解決環境、能源問題的手段，電、氫等能源的應用備受期待。特別是以氫作為燃料的燃料電池汽車（FCV）,作為綠色能源，具有高效率和環境友好等優點。通過使用電機獲得行駛的平順性和舒適性，且其續航里程和填充時間與汽油車接近，作為具有行駛樂趣與良好的使用便利性的代替能源車而備受矚目。

豐田汽車對以氫作為燃料的燃料電池（FC）系統的開發始于1992年，在2002年12月率先開始了燃料電池汽車的限定租賃。此后經過了反復的改良，于2008年推出豐田FCHV-adv（圖1），解決了續航里程和在冰點下的起動性問題，驗證了燃料電池車代替能源車的高潛力性。

2 TFCS的開發

2014年12月,豐田汽車率先開始量產型燃料電池家用車（MIRAI）并進行銷售（圖2）。在MIRAI上采用了豐田燃料電池系統（TFCS），其開發目標為：成為具有全面普及魅力、能被稱之為世界領先“商品”的燃料電池。TFCS在對性能與舒適性進行進一步磨煉的同時，大幅度地降低了作為商品化最大難題的燃料電池系統成本。在本文中，以降低成本的方法為中心，就TFCS的系統單元的開發進行介紹。

3 降低燃料電池系統成本的方法

燃料電池系統成本高的要因大致包括： 燃料電池固有材料價格高、燃料電池車專用系統復雜（零部件個數多）、量產效果小等（表1）。下文就這些要因展開介紹。

3.1 降低燃料電池固有材料成本

在燃料電池系統當中，采用了大量的高價材料，如燃料電池Pt觸媒和高壓氫儲存箱的碳素纖維。在豐田FCHV-adv的燃料電池系統中，燃料電池固有材料費所占的比率相當高（圖3）。

TFCS通過對燃料電池單元的小型輕量高性能化來降低材料的使用量，并盡可能用通用材料替代高價材料，以降低材料成本。

3.1.1降低燃料電池組的材料成本

3.1.1.1單元流路構造的革新

傳統的FC組單元流路構造是1種常見的凹槽流路，與電極接觸的流路載電下生成水容易滯留，由于氧擴散不良，造成發電不均（圖4）。對此展開了相關的討論研究，即通過采用發泡燒結體等多孔體流路，由通過細孔的毛管力將生成水從電極吸出，以確保氧的擴散，實現高性能化，但這又出現了高壓損傷、多孔體內殘留水及制造質量和成本等問題。

在本次的新型燃料電池組當中，以確保提高電流密度與電壓穩定性為目標，作為空氣流路開發出了革新性的3D細網流路（圖5）。3D細網流路為三維的微細格子流路，通過使空氣向接觸電極的方向以紊流形式流動，來促使氧向觸媒層的擴散。另外，通過流路內外形狀的最佳化與流路表面的親水性，使生成水快速地從電極排出，抽出到流路表面，防止由于流路堵水造成氣體流動不暢，以此實現電池組內面的發電均一和降低電池組之間電壓的誤差。此外，在電池組內面可以改變網流路形式，在空氣極上流部分緩和紊流，即使在無外部加濕（后述）的情況下也能夠控制電極的干燥。

3.1.1.2電極的創新

新型電池組的催化劑通過采用最佳的Pt/Co合金比例，使催化活性提高了1.8倍。除此之外，將碳載體從原來的中空型轉化為中實型，減少載體內部難以有效發揮機能的Pt催化劑，使Pt利用率提高了約一倍。

這樣改善電池組流路構造及電極的結果是： 通過提高氣體擴散性減低了濃度過電壓；通過提高質子傳導性降低了電阻過電壓；通過提高催化活性降低了活性過電壓；在相當單位面積，大幅增大了可發電電流，使電流密度為原來的2.4倍（圖6）。

根據上述的高性能化（電流密度2.4倍），相當功率的電極面積減少59%，加上Pt催化劑利用率的提高，能夠將Pt用量減至原來的1/3（圖7），同時也減少了相當單位面積的電極材料成本。另外，通過使電解質膜的1/3的薄膜化，也減少了高價電解質聚合物的使用量。

3.1.1.3隔板等的低成本化

為了減少接觸阻力與確保耐腐蝕性，原有電池在基礎材料不銹鋼（SUS316L）上進行了昂貴的Au的表面鍍層處理。通過將基礎材料更換為耐腐蝕性良好的鈦，將表面處理所追求的機能簡化為只是降低接觸阻力，由此可將原來的Au鍍層更改為按照新規所開發的碳納諾鍍層PAC，這就廢止了隔板中貴金屬的使用，大幅度削減了成本（圖8）。

另外，燃料電池組（組套）的緊固結構也通過功能整合簡化，減少了緊固部件的數量，以實現低成本化。

經以上改良，新型的燃料電池組（組套）體積功率密度達到原來的2倍以上（3.1 kW/L）（圖9），最大功率從原來的90 kW提高到了114 kW，相當電池組的功率提高了36%。另外，通過高電流密度化（2.4倍）及薄型化（減少20%），電池組的體積實現了24%的小型化。此外，將隔板由不銹鋼更改為密度較小的鈦合金，使得電池組的質量減少了39%。

3.1.2降低高壓氫儲藏罐的材料成本

3.1.2.1低成本碳素纖維

在高壓氫儲藏罐的成本中，碳素纖維占有的比例較大，因此纖維的低成本化和減少其使用量十分重要。傳統方式是采用在飛機上使用的高級別碳素纖維；而TFCS通過與碳素纖維廠家的協作，對通用級別件進行改良，使得其強度提高到飛機用碳素纖維的水平，實現了碳素纖維的低成本化。

3.1.2.2減少碳素纖維的使用量

圖10表示的是高壓氫儲藏罐。高壓儲藏箱是由封入最內層的氫的樹脂襯套、承受其外側強度的碳素纖維強化塑料（CFRP）層及兩端的鋁質蓋等構成。為了低成本化與輕量化，主要對FCRP積層進行了修正，目的在于大幅度地降低CFRP的使用量。

高壓氫儲藏罐的CFRP積層由承受主體部強度的環箍圈（圓周方向）、承受圓頂部強度（軸向）的螺旋圈及加強其邊界部的高角度螺旋圈3種組合而成（圖11）。

其中，高角度螺旋圈與軸向呈約70°纏繞，當然也纏繞圓頂部，但如圖12所示，其承受圓周方向的應力較小，對儲藏罐的加強沒有太大的貢獻。

傳統款式中高角度螺旋圈占CFRP層整體約25%，針對此開發了不使用對邊界部進行加強的高角度螺旋圈也能夠實現的積層方法（圖13）。

對傳統積層法的變更主要包括以下3點：（1）變更襯套形狀，使邊界部平坦化，變更為能夠環箍圈積層；（2）在襯套的平坦部，由環箍圈來形成原來襯套的形狀，加強邊界部；（3）使環箍圈在內層集中積層。

通過上述更改，在廢除高角度螺旋圈的基礎上，通過在發生應力較高的內層一側集中圓。

周效率較高的環箍圈，針對傳統積層可削減20%的CFRP質量用量。此外通過蓋子形狀的最佳化處理，結合削減CFRP，實現了世界最高水平的氫儲藏性能，可儲藏的氫質量與罐系統質量僅5.7%，對高壓氫儲藏罐的低成本化做出巨大貢獻（圖14）。

3.2 FC系統簡單化

為實現FC系統的簡單化，廢除部件和整合是必不可缺的。傳統的燃料電池系統見圖15，TFCS的構成見圖16。在留用部件的基礎上，推進部件的整合。

3.2.1廢除加濕器

在燃料電池系統簡單化當中，特別是在TFCS中廢除了外部加濕器。為保證燃料電池電解質膜內的離子傳導，膜需含有適當的水分，但此次通過燃料電池組（組套）與系統控制的改良，廢除了加濕器，即由空氣一側（負極）下流的生成水對由氫一側（陽極）的內部循環所產生空氣一側上流進行加濕（圖17）。

新型電池組的結構是針對空氣流路和夾電極兩端，在宏觀上形成對流（圖18），靈活運用電池組內空氣流路下流的生成水（逆擴散水），在氫流路上流部加濕氫，通過氫的流動將水蒸氣運送到氫下流部，通過電解質膜使水逆擴散，對電極容易干燥的空氣流路上流部進行加濕。另外，電解質膜薄膜化至原來的1/3，在促進生成水逆擴散的同時，將質子傳導性提高了2倍。

由此實現了通過生成水的電池組內部循環來進行自身加濕，即使不采用外部加濕器也能夠實現高溫性能。

3.2.2減少高壓氫儲罐個數

傳統款式將高壓氫儲罐配置在4個底板上，但各儲罐上所安裝的閥類價格高昂，成為高成本的原因，因此需要減少高壓氫儲罐個數。此外，在開發未來家庭用燃料電池車時，如果儲罐個數過多會妨礙插接。

為了減少儲罐的個數，需要通過改善燃耗來降低配置的氫量；為了在有限的空間當中裝載更多的氫就需要高效率的儲罐。MIRAI在燃油性上與前款相比改善了約20%，并且為了在不損害家庭車輛乘座空間的條件下裝載所必要的氫量，通過新開發出2種不同形狀的儲罐減少了2個儲罐。

3.3 運用量產部件

在引進燃料電池車的初期，預計市場規模不大于汽油車，因此很難通過單純的量產來降低成本。為此，對于電機系統與燃料電池的系統部件，盡量采用現有的量產部件以降低成本。

為了最大限度地留用豐田混合動力車上量產的電機系統部件，配合其部件的規格，對系統規格進行了更改。在豐田燃料電池車的電機系統構成（圖19），傳統款（圖19（a））燃料電池組（組套）與逆變器被直接連接，為了實現同電壓，需分別專門設計符合燃料電池的特性（低電壓、大電流）的電機與逆變器。

通過新增加轉換燃料電池電壓的燃料電池增壓轉換器（FDC）（圖19（b）），電機與逆變器就可以留用量產混合動力車的部件（高電壓、低電流），實現了電機系統的小型、低成本化。另外，在FDC的構成部件IPM與電抗器等上，也大多采用量產混合動力車的部件，以降低成本。

4 總結

燃料電池車的量產化、商品化是包括協作公司在內的眾多相關者經過漫長而曲折的道路而獲得的成果，同時也是為大量普及而進行漫長挑戰的開始。

對于實現可持續移動及能源多樣化，作為最具有未來性的高技術之一，今后為了地球、未來、人類，也將推進對燃料電池車的開發，并將與政府、相關行業一起積極地為形成氫氣社會而努力。