導(dǎo)讀：豐田汽車公司旗下量產(chǎn)車型燃料電池汽車Mirai電堆首次實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)先的3.1kW/L體積功率密度。具備自增濕性能、3Dfine-mesh鈦合金流場(chǎng)、高耐久性和強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等特性(-30℃低溫啟動(dòng))的豐田Mirai燃料電池堆成本到底有多少。本文將從材料和工藝兩個(gè)方面，通過DFMA(designformanufacturingandassembly)方法詳細(xì)計(jì)算Mirai燃料電池堆成本。

為豐田發(fā)布的燃料電池堆生產(chǎn)流程示意圖。從催化劑漿料的摻和制備開始，到間歇槽模涂布制備催化層，接著轉(zhuǎn)印到質(zhì)子交換膜上，再與防水處理后的氣體擴(kuò)散層熱壓制備成MEA，最后與表面改性后的鈦金屬板組裝成Mirai燃料電池堆。(注：SAI公司為對(duì)比Mirai電堆，引入了基準(zhǔn)電堆)

豐田Mirai燃料電池堆參數(shù)

豐田Mirai燃料電池堆的體積和質(zhì)量分別為37L和56kg，電堆最大輸出功率114kW，由370片單電池串聯(lián)組成，單電池厚度1.34mm。根據(jù)SAI公司報(bào)告，一個(gè)豐田Mirai燃料電池堆的總反應(yīng)面積為9.91㎡，因此面積功率密度為1.15W/c㎡，電池反應(yīng)面積(activearea)區(qū)域的高寬比為1:2，反應(yīng)面積與總面積比為0.4:1(0.4:1為電化學(xué)反應(yīng)面積與總面積比例，其中脊下MEA區(qū)域不計(jì)入反應(yīng)面積)。

從材料和工藝詳細(xì)計(jì)算豐田Mirai燃料電池堆成本為$14545

Mirai電堆結(jié)構(gòu)

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Mirai電池尺寸(SAI公布)

燃料電池堆的零件包括雙極板、密封圈、氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜等，下圖為豐田Mirai燃料電池堆零件供應(yīng)商清單。注意，有關(guān)催化劑和密封圈的材料和制備技術(shù)皆計(jì)入了成本計(jì)算；雖然豐田Mirai燃料電池采用美國(guó)戈?duì)柟旧a(chǎn)的GORE-SELECT質(zhì)子交換膜，但其成本并沒有被直接納入SAI公司的成本計(jì)算研究中，而是通過采用常規(guī)的質(zhì)子交換膜制備技術(shù)來計(jì)算成本。

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豐田Mirai燃料電池堆零件供應(yīng)商清單

催化劑制備

由上述豐田Mirai燃料電池堆零件供應(yīng)商清單可知，Mirai電堆的催化劑由科特拉(CATALER)制備。SAI公司的成本研究中用到了來自于科特拉的兩項(xiàng)催化劑合成專利。除了為提高耐久性的石墨化碳粉附加加工步驟外，科特拉的催化劑加工步驟與去合金化PtNiO3/C合成方法非常相似。

據(jù)報(bào)道，可利用自由基清除方法向催化劑中加入氧化鈰來提高耐久性。據(jù)相關(guān)資料，假設(shè)Pt負(fù)載量為0.3mgPt/c㎡，因此每塊電堆約30gPt。注意，由于目前還沒有直接來自豐田的參考資料來驗(yàn)證這種催化劑Pt負(fù)載量，該數(shù)值還需要通過靈敏度分析驗(yàn)證。

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Mirai電堆PtCo催化劑石墨化合成制備流程

在制備PtCo催化劑方法中，假定鉑供體材料(六羥基鉑酸鹽)成本是鉑供體材料(氯鉑酸)兩倍。催化劑合成過程中的材料、制備和加價(jià)等細(xì)分明細(xì)如下圖所示。在年產(chǎn)量1000套(堆)情況下，相關(guān)材料(不包括Pt)、催化劑合成和相關(guān)處理等均加價(jià)(markup)25%。

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年產(chǎn)量為1000套和3000套情況下PtCo催化劑合成成本

Mirai催化劑通過間歇槽模涂布方法制備。SAI公司成本研究提到催化層通過間歇槽模涂布方法制備工藝大概成本為每個(gè)電堆$800。間歇槽模涂布方法可以減少非活性區(qū)域部分涂膜造成的材料浪費(fèi)。下圖為豐田使用的間歇槽模涂布系統(tǒng)示意。

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豐田間歇槽模涂布設(shè)備示意

鈦金屬板表面無定形碳涂層制備

豐田公布的相關(guān)文件顯示，Mirai雙極板為表面附有π共軛無定形碳涂層的沖壓鈦金屬極板。鈦金屬極板表面碳涂層由氬氣等離子體清洗步驟和等離子體化學(xué)氣相沉積法等步驟制備。成本模型基于豐田專利，該專利確定了制備無定性碳及形成一定涂層厚度流程中所用的前體氣體配方(precursorgasformulations)。

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鈦金屬極板表面無定形碳涂層制備流程

首先將每塊薄板手動(dòng)裝入PECVD真空室(45cm直徑×30cm高的容腔)，抽空腔室后，使用氬等離子體清潔表面5秒鐘。在氮載氣體環(huán)境中由吡啶前體形成50nm厚的無定形碳涂層。注意，等離子體是通過電場(chǎng)電離形成并使用磁場(chǎng)來控制。在沉積10s后，手動(dòng)卸載極板。緊接著，經(jīng)過2分鐘的硝酸蝕刻過程和1分鐘漂洗過程完成涂層。

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等離子體化學(xué)氣相沉積法設(shè)備示意(豐田公布)

如下圖所示，在年生產(chǎn)1000套系統(tǒng)(電堆)情況下，等離子體化學(xué)氣相沉積法過程占總涂層成本的58%(0.63/1.08)，蝕刻步驟占據(jù)剩余成本。在蝕刻成本中，蝕刻工具(etchingtooling)是主要花銷。由于目前未見蝕刻工藝的詳細(xì)細(xì)節(jié)，因此簡(jiǎn)單假設(shè)蝕刻工具成本為每1000次蝕刻花費(fèi)5000美元用于蝕刻材料或過濾。沒有相關(guān)資料說明蝕刻過程中的材料數(shù)量或類型，因此，預(yù)估的蝕刻工具成本可能有出入。

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鈦板表面無定形碳涂層成本構(gòu)成

密封圈制備

豐田Mirai燃料電池堆密封圈由豐田汽車公司控股住友理工(SumitomoRiko)公司設(shè)計(jì)和開發(fā)。Mirai燃料電池堆的密封圈設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分，即MEA周圍的注塑成型結(jié)構(gòu)密封圈(injectionmolededframegasketaroundtheMEA)和雙極板注塑成型密封圈(injectionmolededbipolarplategasket)。

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密封原理

從住友理工公司的兩篇密封圈設(shè)計(jì)專利可以看出Mirai燃料電池堆密封圈的制備和組裝流程，如下圖所示，專利中提到了一種采用EPDM橡膠材料及其制備燃料電池密封圈的方法。EPDM材料預(yù)成形的注塑成型過程分為兩步：雙極板密封圈預(yù)成形和MEA結(jié)構(gòu)密封圈預(yù)成形。將組合＃1和組合＃2放入單個(gè)模具中并將涂層施加到陰極雙極板上，然后在150℃下夾緊并加熱10分鐘以形成交聯(lián)EPDM，形成密封和組成完成后的單電池。

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住友理工密封圈制備流程(涂料用于增加附著力)

成本研究表明，由于加工時(shí)間長(zhǎng)且一個(gè)模具中同時(shí)加熱的部件數(shù)量有限(對(duì)應(yīng)上圖步驟三種“EPDM加熱至150℃持續(xù)10分鐘”過程)，導(dǎo)致電池組裝成本超過密封圈工藝總成本的60%(上圖中三個(gè)步驟總成本為每個(gè)Mirai電堆$939)。對(duì)應(yīng)上述步驟中涉及雙極板相關(guān)的成本僅占10%，步驟一和步驟二中注塑成型約占30%。作為豐田汽車公司的供應(yīng)商，住友理工向其提供注塑密封圈，假設(shè)只對(duì)注塑密封圈加價(jià)30%，最后交由豐田汽車公司組裝單電池。

氣體分布歧管

豐田Mirai燃料電池堆包含一個(gè)鋁質(zhì)的氣體分配歧管和KurarayGENESTAR樹脂，該部分充當(dāng)電堆端板、進(jìn)出口管道和絕緣體。

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Mirai進(jìn)氣歧管實(shí)物

其中，樹脂組件模制在鋁板上。該樹脂是一種專有的聚酰胺材料，可將鋁板與電堆絕緣開。此外，樹脂含有降低電導(dǎo)率的添加劑，吸水性也較低(高溫下的高吸水性會(huì)降低樹脂材料的電絕緣性)。模內(nèi)注塑過程占據(jù)歧管總成本67%(約$277/個(gè))。

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Mirai進(jìn)氣歧管示意

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電堆歧管成本估計(jì)

Mirai電堆成本

我們來逐項(xiàng)比較年生產(chǎn)量1k和3k套下豐田Mirai電堆和SAI公司凈功率為88.5kW的基準(zhǔn)電堆的成本。年生產(chǎn)量1k套時(shí)，Mirai單個(gè)電堆成本約為$14545，SAI公司凈功率88.5kW基準(zhǔn)電堆單個(gè)成本約為$9700。

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年生產(chǎn)量1k和3k下Mirai電堆成本細(xì)分

兩種電堆成本比較如下表所示。成本差異主要由以下因素造成：

1.Mirai燃料電池堆鈦金屬雙極板比基準(zhǔn)電堆中不銹鋼雙極板成本高。

2.Mirai的Pt載量較高為0.4mg/c㎡，比基準(zhǔn)電堆Pt載量高(基準(zhǔn)電堆中Pt載量為0.125mg/c㎡)。原因可能是大Pt載量提高耐久性。

3.由于Mirai電堆的附件部件(如歧管)較多，因此成本比基準(zhǔn)電堆高。

4.盡管有些Mirai電堆部件采用與基準(zhǔn)電堆相同的制備流程和方法，但Mirai電堆的有效反應(yīng)面積(9.91㎡)大于基準(zhǔn)電堆(8.88㎡)。