燃料电池车降低成本：去掉燃料电池的加湿器

【相关新闻】

德国机械设备制造业联合会会长：日德应携手对抗中国

吉凯恩日本公司公开“揽胜极光”的燃效提高技术

宝马i3，与LEAF和i-MiEV的最大不同在于制动的减速感

电装通用车载空调：设计开发——鼓风机体积缩小15％，马达模块化

电装通用车载空调：理念——核心单元小型化、通用化

燃料电池车（FCV）预定于2015年前后开始全面上市。FCV实现普及的最大课题之一是要降低成本。以前，一辆FCV的成本动辄“上亿日元”，所以必须降到消费者能接受的范围，最终目标是降到与可普通车比肩的水平。但这个目标要在2015年实现似乎很难。不过，与以往相比，FCV的成本确实在大幅降低。据称丰田预定2015年上市的FCV，其成本已有眉目降到该公司2008年款FCV“FCHV-adv”的5%以下（图1）。

图1：丰田的2008年款FCV“FCHV-adv”

丰田采取了多方面措施，才把成本降到了5%以下，如减少填充氢燃料的高压氢燃料罐的数量；采用混合动力车用马达等低价位量产部件；简化燃料电池组和高压氢燃料罐构造；提高燃料电池组的输出密度实现小型化和高性能化，从而削减材料费；减少燃料电池组的铂催化剂用量，等等。其中令人感兴趣的是去掉燃料电池系统的加湿器。

FCV的燃料电池系统一般使用固体高分子型燃料电池（PEFC）。PEFC的电解质采用具有质子（H＋）导电性的高分子膜（图2）。用空气极和燃料极夹住电解质构成电池单元（单电池）。氢（H2）在燃料极分解成质子和电子，质子移动到电解质中，在空气极与氧和电子发生反应生成水。此时，电子通过外部电路从燃料极向空气极移动而发电。

图2：固体高分子型燃料电池（PEFC）单元（单电池）的构成 一般经由隔膜层积这些电池单元，制成燃料电池组。

另外，PEFC的电解质一般采用全氟化碳类高分子膜。这种高分子膜在有湿气时，质子的导电性会升高。因此，丰田以前一直用加湿器为PEFC空气极的空气加湿。

丰田预定2015年上市的燃料电池车（FCV）去掉了该加湿器。因为该公司研究出了不使用加湿器也能加湿电解质的方法。主要包括以下三点：（1）在空气极和燃料极逆转空气或氢的流动方向、（2）减少向外部排放的空气极生成的水、（3）减薄电解质膜（高分子膜）的厚度。该公司技术开发本部FC开发部主任吉田利彦在2014年6月17日举行的“第16届化学电池材料研讨会”（主办：日本化学会电气化学部化学电池材料研究会）上介绍了上述方法。

为什么利用这些方法可以去掉加湿器呢？原因如下。燃料电池发电的前提是，空气沿着空气极的面、氢沿着燃料极的面流动。此时，如果使流动方向像图3那样逆转，就会出现下面的现象。

图3：去掉加湿器也能为电解质膜加湿的机制 将用于预定2015年上市的丰田FCV。

①由于空气极会随着燃料电池的发电反应生成水，如果像上述（2）那样限制生成的水向外部排放，则越到下游，空气的湿度越高。

②在空气流动的下游与氢流动的上游产生湿度差。

③由于减薄了电解质膜的厚度，水分会从湿度高的地方（空气流动的下游）向湿度低的地方（氢流动的上游）移动（这样，在加湿电解质膜的同时，氢流动的上游的湿度也会升高）。

④因上游的氢湿度升高，在其流向的下游，氢的湿度也会升高。

⑤因下游的氢湿度升高，氢流动的下游与从外部获取未加湿空气的空气流动的上游之间产生湿度差。

⑥水分从湿度高的地方（氢流动的下游）向湿度低的地方（氧流动的上游）移动（这样就会加湿电解质膜）。

如上所述，发电反应生成的水按照“空气流动的下游→（经由电解质膜）氢流动的上游→氢流动的下游→（经由电解质膜）空气流动的上游”这样的顺序循环，由此来加湿电解质膜。丰田燃料电池的电解质膜与以前一样仍采用全氟化碳类材料，向空气极和燃料极输送空气和氢的流路——隔膜则采用电流密度可提高至原来2倍的多孔体材料。（作者：富冈 恒宪，日经技术在线！供稿）