燃料電池車降低成本:去掉燃料電池的加濕器

燃料電池車(FCV)預定于2015年前后開始全面上市。FCV實現普及的最大課題之一是要降低成本。以前,一輛FCV的成本動輒“上億日元”,所以必須降到消費者能接受的范圍,最終目標是降到與可普通車比肩的水平。但這個目標要在2015年實現似乎很難。不過,與以往相比,FCV的成本確實在大幅降低。據稱豐田預定2015年上市的FCV,其成本已有眉目降到該公司2008年款FCV“FCHV-adv”的5%以下(圖1)。

圖1:豐田的2008年款FCV“FCHV-adv”

豐田采取了多方面措施,才把成本降到了5%以下,如減少填充氫燃料的高壓氫燃料罐的數量;采用混合動力車用馬達等低價位量產部件;簡化燃料電池組和高壓氫燃料罐構造;提高燃料電池組的輸出密度實現小型化和高性能化,從而削減材料費;減少燃料電池組的鉑催化劑用量,等等。其中令人感興趣的是去掉燃料電池系統的加濕器。

FCV的燃料電池系統一般使用固體高分子型燃料電池(PEFC)。PEFC的電解質采用具有質子(H+)導電性的高分子膜(圖2)。用空氣極和燃料極夾住電解質構成電池單元(單電池)。氫(H2)在燃料極分解成質子和電子,質子移動到電解質中,在空氣極與氧和電子發生反應生成水。此時,電子通過外部電路從燃料極向空氣極移動而發電。

圖2:固體高分子型燃料電池(PEFC)單元(單電池)的構成

一般經由隔膜層積這些電池單元,制成燃料電池組。

另外,PEFC的電解質一般采用全氟化碳類高分子膜。這種高分子膜在有濕氣時,質子的導電性會升高。因此,豐田以前一直用加濕器為PEFC空氣極的空氣加濕。

豐田預定2015年上市的燃料電池車(FCV)去掉了該加濕器。因為該公司研究出了不使用加濕器也能加濕電解質的方法。主要包括以下三點:(1)在空氣極和燃料極逆轉空氣或氫的流動方向、(2)減少向外部排放的空氣極生成的水、(3)減薄電解質膜(高分子膜)的厚度。該公司技術開發本部FC開發部主任吉田利彥在2014年6月17日舉行的“第16屆化學電池材料研討會”(主辦:日本化學會電氣化學部化學電池材料研究會)上介紹了上述方法。

為什么利用這些方法可以去掉加濕器呢?原因如下。燃料電池發電的前提是,空氣沿著空氣極的面、氫沿著燃料極的面流動。此時,如果使流動方向像圖3那樣逆轉,就會出現下面的現象。

圖3:去掉加濕器也能為電解質膜加濕的機制

將用于預定2015年上市的豐田FCV。

①由于空氣極會隨著燃料電池的發電反應生成水,如果像上述(2)那樣限制生成的水向外部排放,則越到下游,空氣的濕度越高。

②在空氣流動的下游與氫流動的上游產生濕度差。

③由于減薄了電解質膜的厚度,水分會從濕度高的地方(空氣流動的下游)向濕度低的地方(氫流動的上游)移動(這樣,在加濕電解質膜的同時,氫流動的上游的濕度也會升高)。

④因上游的氫濕度升高,在其流向的下游,氫的濕度也會升高。

⑤因下游的氫濕度升高,氫流動的下游與從外部獲取未加濕空氣的空氣流動的上游之間產生濕度差。

⑥水分從濕度高的地方(氫流動的下游)向濕度低的地方(氧流動的上游)移動(這樣就會加濕電解質膜)。

如上所述,發電反應生成的水按照“空氣流動的下游→(經由電解質膜)氫流動的上游→氫流動的下游→(經由電解質膜)空氣流動的上游”這樣的順序循環,由此來加濕電解質膜。豐田燃料電池的電解質膜與以前一樣仍采用全氟化碳類材料,向空氣極和燃料極輸送空氣和氫的流路——隔膜則采用電流密度可提高至原來2倍的多孔體材料。(作者:富岡 恒憲,日經技術在線!供稿)

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