研学丨丰田Mirai二代燃料电池电堆生产技术（一）

丰田燃料电池电堆研发团队，在经历了近15年的电堆研发经验积累后，使燃料电池电堆的功率密度有了非常大的提升，如下图。其中，燃料电池电堆质量功率密度从2008年的1 kW/kg发展到Mirai一代燃料电池电堆的2.8 kW/kg，现在到了Mirai二代的5.4 kW/kg，同时其体积功率密度也实现了2 kW/L、3.5 kW/L、5.4 kW/L的三级跳。

今天小编就和大家一起来学习一下丰田Mirai二代燃料电池电堆在总体制造流程、催化剂层制造工艺、膜电极制造工艺上为了实现量产，开展了哪些创新和优化。

电堆总体制造流程

丰田Mirai二代燃料电池电堆的外观和单电池的组件如下图。目前电堆峰值功率128 kW，整个电堆呈矩形立方体形状，由330节燃料电池单电池串联组成，每节单电池的阳极采用波纹流道，阴极采用部分变窄的直流道，膜电极包括三层，分别为质子交换膜PEM、催化剂层CL和气体扩散层GDL。

电堆的主要生产制造流程如下图。对于催化剂层CL，是将催化剂和离聚物混合，然后喷涂在质子交换膜的两侧。对于气体扩散层GDL，首先对其基材进行疏水处理，使其能够在燃料电池水管理过程中更高效的工作，然后将处理好的GDL与阴/阳两极的催化剂层CL压接在一起。对于阴/阳两极的双极板，首先对衬底进行表面镀层处理，以确其保防腐性和高电导率，然后冲压成型，最后和MEA、GDL组装成燃料电池单电池。

① 催化剂层的成型技术

丰田Mirai二代燃料电池催化剂是将研制好的催化剂油墨喷涂到由卷对卷（roll-to-roll）传送的物料上，总体流程如下图。由于催化剂油墨中主要为贵金属Pt，因此喷涂过程中采用间接式喷涂，即只在实际应用的部分喷涂，一定程度上降低了制造成本，同时也加快了制造速度。丰田Mirai二代电堆团队通过对催化剂油墨的制造工艺优化和高速间歇式涂层阀的控制实现了催化剂层的成型。

② 催化剂油墨的制造

催化剂油墨是一种由催化剂和离聚物（增稠剂）组成的调和物，催化剂油墨的粘滞弹性（viscoelasticity）很大程度上决定了喷涂效果，Mirai一代和Mirai二代都通过催化剂喷墨塔中搅拌桨叶对催化剂油墨的搅拌工作，来实现催化剂油墨均匀合适的粘滞弹性。为了保证催化剂和离聚物在整个催化剂喷墨塔中充分混合，丰田Mirai二代团队与Primix公司合作，对搅拌桨叶进行了优化，将Mirai一代采用的传统分散叶片优化成了现在的Leviastar叶片，改进后的结果如下图，可以看到整个罐体内各个角落都能够得到很好的混合。使得Mirai二代的催化剂油墨混料时间比Mirai一代的减少了一半，同时整个设备的成本也得到了降低。

③ 高速间歇式喷涂阀

丰田Mirai二代采用的高速间歇式喷涂阀原理示意图如下。可以看到这是一个集成阀，它集成了一个开关阀和回吸阀，其中开关阀可以通过旋转电机轴来控制阀的开闭；回吸阀可以在很短的时间里控制夹缝式涂布过程中的喷涂压力。

相较于Mirai一代，Mirai二代在开关阀上通过旋转其阀芯上的通孔来控制喷涂时机，使该阀门的操作时间减短了一半。另外，目前开关阀和回吸阀的配合也可以在调整喷涂压力的同时适应不同属性的油墨，方便未来基于相同的喷涂设备，直接单独研发不同的催化剂油墨。

丰田Mirai二代电堆团队对燃料电池膜电极的定义与传统的定义方式稍有不同，传统膜电极MEA（Membrane Electrode Assembly）的结构定义主要包括质子交换膜PEM和阴/阳极催化剂层CL。丰田Mirai二代的膜电极为MEGA（Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly），指的是在传统MEA的结构上又包括了气体扩散层GDL。丰田Mirai二代采用的MEGA加工基本流程如下图。

可以看到整个过程中主要使用了贯穿全流程的卷对卷工艺流程，通过热压辊对已经喷涂好催化剂层的MEA和气体扩散层进行热压结合，使得MEGA产量可以有大幅度的提升。

在利用热压辊进行热压的过程中，丰田Mirai二代团队关注到了GDL在该过程中发生断裂的现象，该现象的机理如下图。可以看到该问题的本质来自GDL材料本身，即为了提高燃料电池功率密度和降低零部件成本，GDL被制作的越来越薄，其脆性增大且延展性降低，导致GDL在热压辊上弯曲的过程中容易产生破裂。

丰田Mirai二代电堆制造团队联合GDL材料供应商，利用多元回归分析法（multiple regression analysis）优化材料的拉力控制以及其它影响热压过程的因素，最终确保GDL在热压输运过程中具有较大的拉力承载性，进而避免了GDL在热压过程中破裂的发生。

原文始发于微信公众号（燃料电池百科）：研学丨丰田Mirai二代燃料电池电堆生产技术（一）