豐田來(lái)華兜售燃料電池汽車技術(shù),憑什么?
3、自增濕減少空間
加濕對(duì)燃料電池非常重要,質(zhì)子交換膜只有在充分濕潤(rùn)的時(shí)候,才能正常工作,否則將會(huì)導(dǎo)致燃料電池內(nèi)阻迅速上升,發(fā)電效率降低。因此,監(jiān)控電池內(nèi)阻,也是判斷燃料電池內(nèi)部濕度的重要手段。
但是豐田去掉了加濕器,實(shí)現(xiàn)了自增濕,為空氣壓縮機(jī)等其他輔件騰出了更多的空間。那么實(shí)現(xiàn)自增濕的必要條件是什么?
首先,電堆里不能太干。我們以豐田的電堆為例,看看它的電堆是怎么支持自增濕的。第一,豐田使用了更薄的質(zhì)子交換膜,這讓水分可以在陽(yáng)極和陰極之間“自由補(bǔ)充”。避免電極一側(cè)過(guò)干,另一側(cè)過(guò)濕的問(wèn)題出現(xiàn)。第二,在電堆結(jié)構(gòu)上,陽(yáng)極和陰極的進(jìn)出氣口采取交叉設(shè)計(jì)。這讓出口處生成的水分可以為對(duì)側(cè)入口處更好的加濕。避免電極同一側(cè)入口處過(guò)干,出口處過(guò)濕的情況出現(xiàn)。
圖5 豐田燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
其次,電堆里不能太濕。如果太濕,過(guò)飽和的水汽則會(huì)液化,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致流道的“栓塞”。造成反應(yīng)氣體不能達(dá)到三相界面,而造成電池性能迅速衰減,這種衰減甚至是不可逆的。如果“栓塞“發(fā)生在氫氣端則會(huì)導(dǎo)致被堵的地方由于沒(méi)有氫氣可”燒“,赤裸裸地?zé)袅硗庖环N燃料——還記得作為催化劑載體的碳嗎?為了避免這種情況的發(fā)生,豐田在膜電極中添加了其他成分以提高“抵抗力”。同時(shí),在陰極推出了3D網(wǎng)狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)汽水分離。其實(shí)3D流場(chǎng)本質(zhì)上并非什么新鮮玩意,但是豐田的創(chuàng)新之處,在于通過(guò)精密加工,對(duì)微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精確控制,這點(diǎn)是豐田的“陽(yáng)謀”之一。
最后,電堆的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水,因此,往往在電堆入口處是最容易發(fā)生“過(guò)干”問(wèn)題的地方。豐田在系統(tǒng)上輔助增加了這個(gè)區(qū)域的濕度控制。在陽(yáng)極,豐田利用氫氣循環(huán)泵收集水分予以補(bǔ)充;在陰極,則通過(guò)增加冷卻液的流量,降低溫度,以減少此處的蒸發(fā)量。
圖6 豐田電堆自增濕原理示意圖
自增濕很難實(shí)現(xiàn)嗎?難!
因?yàn)殡姸褍?nèi)部溫度和濕度,維系著體系中多組平衡關(guān)系。而在電極表面溫度和濕度的均勻性,在實(shí)際產(chǎn)品中更是難于檢測(cè)。這需要大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)積累,我個(gè)人認(rèn)為這至少需要上萬(wàn)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。另外,因?yàn)槿剂想姵氐墓ぷ鳒囟龋ㄙ|(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度一般不高于100℃)遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度,且熱量要靠換熱器解決,而非像燃油車一樣隨尾氣排掉。這就意味著提高燃料電池工作溫度,是減小系統(tǒng)換熱功率,增加燃料電池系統(tǒng)效率的有效方法。但溫度升高會(huì)讓更多的水分因?yàn)檎舭l(fā)隨氣體流失,濕度控制難度進(jìn)一步增加。
小結(jié)一下:
加濕器是車用燃料電池系統(tǒng)中的大累贅,因此,能實(shí)現(xiàn)自增濕是對(duì)車用燃料電池電堆的技術(shù)要求。而豐田在這一方面可謂獨(dú)步天下。
4、電電混動(dòng)系統(tǒng)模塊化應(yīng)用
豐田在燃料電池方面的厲害之處,還在于實(shí)現(xiàn)了模塊化應(yīng)用,以應(yīng)對(duì)更大功率場(chǎng)景的需求。
電池系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì),非常常見(jiàn)。而客觀的講,燃料電池更是非常適合模塊化設(shè)計(jì)。因?yàn)橄啾绕渌姵,燃料電池的?yōu)勢(shì)在于:功率和容量相互獨(dú)立。這就讓燃料電池模塊化的形式更為靈活。而鋰電池要想實(shí)現(xiàn)功率和容量的配比,則要從電芯設(shè)計(jì)制造時(shí)開(kāi)始考慮。
豐田最新推出的燃料電池大巴SORA就充分體現(xiàn)了燃料電池模塊化的設(shè)計(jì)思路。在這款車型上,豐田繼續(xù)沿用它熟悉的電電并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)。而所使用電機(jī)(Motor)、功率控制單元(PCU)和蓄電池(Battery)、甚至儲(chǔ)氫灌與Mirai使用的規(guī)格基本相同。
圖7 SORA布置示意圖
圖8 SORA與Mirai三電結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖
圖7和圖8,分別展示了SORA整車系統(tǒng)的布置示意圖和三點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。從總體上看,SORA的結(jié)構(gòu)就是兩款獨(dú)立的“Mirai系統(tǒng)”并聯(lián)到變速驅(qū)動(dòng)橋上。但在細(xì)節(jié)上,又有一些區(qū)別。首先,從功率單元上,SORA對(duì)每條獨(dú)立的子系統(tǒng)分別增加了一組蓄電池。這說(shuō)明系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)難度相比Mirai更大。其次,在功率單元和容量單元的配比上,每條獨(dú)立的系統(tǒng)平均配裝了5個(gè)氫氣瓶,這種“肆意”增加容量而幾乎不增加控制難度的情況,正是燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。
模塊化設(shè)計(jì)雖好,但也有基本要求:因?yàn)橐话闱闆r下,模塊化只能減少設(shè)計(jì)和制造成本,并不能減少材料的成本。因此,單一模塊應(yīng)是成本與性能控制最為平衡的設(shè)計(jì)。如果認(rèn)同“燃料電池更適合大功率長(zhǎng)續(xù)航的大型、重型車輛”,從我個(gè)人的建議:?jiǎn)文K設(shè)計(jì)不宜過(guò)小。那么電堆也就不宜過(guò)小。
總結(jié):
雖然,我不敢確認(rèn)SORA模塊化系統(tǒng)一定是成熟或者成功的,但是在整套系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程中,確實(shí)能清楚的看到豐田前進(jìn)的軌跡。電堆才是燃料電池系統(tǒng)的核心,每個(gè)電堆有自己個(gè)“個(gè)性”,需要“量體裁衣式”的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。
現(xiàn)在,中國(guó)無(wú)疑要大力發(fā)展氫燃料電池了,而豐田是橫亙?cè)谖覀兠媲暗木奕。由于豐田的開(kāi)放姿態(tài),我們也許有機(jī)會(huì)站在“巨人的肩膀“之上。不過(guò),別忘了回頭看看巨人留下的腳印。這些腳印,值得我們敬畏并學(xué)習(xí)。(完)
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