丰田FCV技术
作者：小川计介 丰田上市的业内首款量产型燃料电池车“MIRAI”的详细参数已经公布。为了大幅降低成本，MIRAI全面利用现有部件，为实现部件的小型和轻量化、提高发电效率的举措也随处可见。
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丰田上市的业内首款量产型燃料电池车“MIRAI”的详细参数已经公布。为了大幅降低成本，MIRAI全面利用现有部件，为实现部件的小型和轻量化、提高发电效率的举措也随处可见。到2025年，将力争使价格降低到混合动力车（HEV）的水平。 丰田上市了燃料电池车（FCV）“MIRAI”（图1）。MIRAI利用使氢气和空气中的氧气发生化学反应的燃料电池（FC）堆栈发电，来驱动马达。 FCV最大的课题在于成本。10年前，成本据说要1亿日元，量产版的MIRAI虽然大幅降低了成本，但价格依然高达723.6万日元（含税）。普及仍需大幅降价。 日本政府为了促进FCV的普及，在2014年6月公开了旨在降低FCV和氢燃料成本的“氢及燃料电池战略蓝图”。丰田也准备按照这一思路，推进FCV的低 成本化。蓝图明确表示在2015年推出FCV，2020年使FCV的系统成本减半，到2025年将再减半，使成本降低到最初的1/4。计划到2025年， 使FCV的价格与混合动力车（HEV）相当。通过有竞争力的定价，推进FCV的普及。 通过了解MIRAI补贴制度的计算方法，可以看出使FCV的价格向HEV看齐的具体思路（图2）。受日本经济产业省的委托发放补贴的新一代汽车振兴中心在计算补贴金额时，选择了丰田的高级轿车“皇冠”（发动机款）作为MIRAI的参照基准（表1）。 理由是皇冠的等级（车辆尺寸和发动机功率）接近MIRAI。在基准车价格的基础上，参考两款车装备的差异（先进安全装备等），计算出了基准额（367万日 元）。按照补贴制度，FCV的价格与基准额之差的2/3，要作为补贴支付给用户，MIRAI享受的金额为202万日元。上述价格均不含税。 价格与皇冠HEV相当 这个差额其实相当于现在FCV的系统成本。FCV的系统成本按照303万日元计算，参照前面所说的蓝图可以估算出：FCV的系统成本会在2020年降低到约150万日元，在2025年降低到约75万日元。 因此，不含税价格为670万日元的MIRAI通过降低FCV的系统成本，到2025年将可以用442万日元（FCV系统75万日元+基准额367万日元） 的价格买到。这个价位接近于现在皇冠的HEV款式的不含税价格（约390万日元），与蓝图的预计基本一致。由此可知，丰田准备在2025年之前，通过不断 实施全面改进，降低MIRAI的成本，使价位逐步与皇冠HEV款式拉平。 另一方面，对于FCV用氢气的销售价格，前面所说的蓝图提出了“到2020年使燃料价格与HEV相当”的目标，这个目标已经提前实现了。 岩谷产业发布了第1座商用加氢站，已经敲定1kg（相当于11Nm3）氢气的售价为1100日元（不含税）。按照4.3kg氢气 可行驶650km计算，MIRAI的燃耗（日元/km，含税）为7.8日元/km。而作为基准车的皇冠在汽油价格低迷的情况下，燃耗仍高达12.3日元 /km，皇冠的HEV款式则为6日元/km，实现了与MIRAI相近的价位。 去HEV的动力分配机构和发电机 量产的MIRAI随处可见降低成本的智慧和巧思（图3）。除了沿用已经应用于HEV的驱动马达和镍氢电池，还通过提高单元的性能、采用FC升压转换器，以 较少的单元数量产生了高压电（表2）。驱动马达沿用与雷克萨斯“RX450h”，镍氢电池沿用与“凯美瑞”相同的产品。这些产品已经面向HEV投入量产， 能够以低成本进行配备。 MIRAI虽然沿用了HEV系统的核心部件，但省去了HEV配备的动力分配机构和发电机。HEV系统会根据驾驶状态，通过动力分配机构，将发动机的动力分 配给驱动力和发电机，而FCV没有发动机，因此无需配备。因为没有发动机，所以也不配备发电机。但与HEV一样配备了在减速时利用驱动马达再生电力的功 能。 通过沿用HEV的部件，新开发的部件只有FC升压转换器和FC堆栈等（图4）。增加FC升压转换器是为了降低成本。通过升高FC堆栈的电压，串联单元数量 较少的小规模FC堆栈也可以应用于大型车辆。而且，通过缩小FC堆栈的规模，“还能应用于今后可能开发的低功率小型FCV”（丰田FCV内部人士）。 FC堆栈要提高输出功率 FC堆栈要提高输出功率 通过开发出高性能的单元，FC堆栈实现了小型和轻量化（图5，表3）。与上一代相比，最高输出功率从90kW提高到114kW，单元数量从400枚减少到 了370枚。体积功率密度从1.4kW/L提高到3.1kW/L，是过去的2.2倍。因为缩小了单元的体积，所以可以安装在轿车型汽车的地板下方。 丰田没有公布FC堆栈的电压，由于1枚单元的电压低于1V，因此FC堆栈的电压低于370V。这个电压要通过FC升压转换器，升高到驱动马达的电压，即650V。将镍氢电池的电压（200～300V程度）提升至650V的DC-DC转换器配置在动力控制单元的内部。 电池单元电流密度要翻番 单元通过材料的薄型化、改进气体流路等，电流密度增加到了过去的2.4倍（图6，图7）。除了将电解质膜的厚度缩减到1/3，通过方便氢离子（H+）通过，使传导效率增至3倍外，还通过为电极（催化剂）层采用铂（Pt）和钴（Co），使反应效率增加到了1.8倍（表4）。空气极的通道也从过去的二维沟槽改为三维通道，使产生的水不易堵塞通道，提高了单位面积的发电效率。 电解质膜减薄后，空气极产生的水更容易通过电解质膜，使膜随时保持湿润状态。因此无需加湿器，重量减轻13kg，系统容积减少了15L。 FC堆栈架相当于FC堆栈的地板。当配置在前座地板下方的FC堆栈撞到路面的突起物时，可以保护FC堆栈。过去一般使用金属制造，在换用树脂制品后，实现了轻量化。而且，通过采用热可塑性树脂，可以利用冲压加工进行量产，还有助于降低成本。 开发出高效率的空气压缩机 空气压缩机是FCV运转所必需的部件（图8）。负责从大气中吸入空气，在压缩后输送到FC堆栈。空气压缩机一旦停止工作，FC堆栈就不能使空气中的氧气与燃料罐供应的氢气发生化学反应进行发电，汽车将无法行驶。 MIRAI采用了丰田自动织机开发的高效率空气压缩机。在压缩机中，驱动风机的马达额定输出功率约为10kW。考虑到MIRAI的驱动马达的最大输出功率 为113kW，这个输出功率并不算小，需要大电流才能实现。通过提高压缩机的效率，压缩机的耗电量减少，延长了MIRAI的续航距离。 风机采用新开发的六叶螺旋罗茨方式，吸入的空气量从小容量到大容量，都能实现高效压缩。风机由两个转子构成，转子的凹凸彼此咬合进行旋转。随着咬合空间缩小，空气将被压缩并且喷出。 广泛应用于家电和空调压缩机等的涡旋式风机，存在高负载时效率良好，低负载时效率降低的课题。相比涡旋式，这种风机在低负载时的效率提高了14个百分点，达50％以上，高负载时的效率达60％以上。 吸入的空气量在低负载时约为0.1Nm3（100L）/分，在高负载时约为5Nm3（5000L）/分。最大压缩比约为3倍。 FC堆栈需要氧气，但空气中约8成是氮气（N2），氧气（O2）只占约2成。FC压缩机为防止氧气缺乏，需要源源不断地吸入大量的空气进行压缩。 空气压缩机的外壳通过采用铝合金材料减轻了重量。逆变器没有单独准备，而是借用驱动马达的逆变器。空气吸入口（进气口）约为250×50mm左右，配置在发动机舱内。 改进氢气循环风机的散热 氢气循环风机的作用，是循环利用没有反应的氢气和空气极生成的水（图9）。 作为设计上的改进，风机马达配置在了FC堆栈歧管的旁边，可以利用堆栈歧管的冷却机构，使氢气循环风机实现了小型化。氢气循环风机马达部分的外壳为铝合金 制造，风机部分、通道等其他外壳为SAS（不锈钢）制造。氢气循环风机采用已经运用于一般风机的方式（双叶罗茨），降低了成本。 FC堆栈歧管整合了连接FC堆栈及其周边设备的配管。内部设置了向堆栈输送空气、氢气和冷却水等的配管（图10）。为防止堆栈内的各个单元分开，FC堆栈歧管还要与另一侧的平坦铝合金面板一同向多个单元加压。 这一次，FC堆栈歧管采用了向铝合金面板内注入聚酰胺树脂的嵌件成型方式制造。过去，铝面板与树脂是分别成型，部件数量较多。进行开发的丰田纺织表示，“通过采用一体成型，在减少部件数量的同时，还减薄了面板”。 氢燃料罐减少树脂用量 氢燃料罐通过改进树脂材料、CFRP（碳纤维强化树脂）的材料和制造方法，减少了材料的使用量（图11）。燃料罐的厚度从上一代的40mm缩小到25mm，减薄了约4成。 燃料罐由作为基材的衬底层、CFRP层、GFRP（玻璃纤维强化树脂）层3层组成。衬底使用聚酰胺树脂，起到封闭氢气的作用。 CFRP层负责确保可以耐受70MPa以上高压氢的强度。在燃料罐的周围，缠绕着由2.4万根只有头发丝1/10粗细、直径为7μm的碳纤维拧成的绳子。GFRP层则担负着冲撞安全等作用，在受到来自外部的撞击时防止燃料罐破损。 MIRAI的氢燃料罐可以储存大约5kg氢气，因为需要利用压差输出氢气，所以无法全部用光，现在可以用于行驶的氢气大约为4.3kg。但是，通过修改规 定，2016年度之后投入运营的加氢站，应该可以使氢燃料罐的压力高于现在的70MPa。因为能够充入更多的氢气，所以MIRAI的续航距离预计将从现在 的约650km延长到约700km。 |
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