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从材料和工艺精细盘算丰田Mirai燃料电池堆资本为$14545
发布时间:2019-06-12 15:57:00


导读:丰田汽车公司旗下量产车型燃料电池汽车Mirai电堆首次完成举世领先的3.1kW/L体积功率密度。具备自增湿功用、3D fine-mesh钛合金流场、高耐久性和强状况顺应性等特征(-30℃低温启动)的丰田Mirai燃料电池堆资本终究有众少。本文将从材料和工艺两个方面,通过DFMA(design for manufacturing and assembly)方法精细盘算Mirai燃料电池堆资本。


丰田燃料电池堆生产流程(丰田发布)


上图为丰田发布的燃料电池堆生产流程示企图。从催化剂浆料的掺和制备开端,到间歇槽模涂布制备催化层,叫∪营印到质子交换膜上,再与防水处理后的气体扩散层热压制备成MEA,着末与外面改性后的钛金属板拼装成Mirai燃料电池堆。(注:SAI公司为比照Mirai电堆,引入了基准电堆)


丰田Mirai燃料电池堆参数


丰田Mirai燃料电池堆的体积和质料区分为37L和56kg,电堆最大输出功率114kW,由370片单电池串联构成,单电池厚度1.34mm。依据SAI公司报告,一个丰田Mirai燃料电池堆的总反响面积为9.91㎡,于是面积功率密度为1.15W/c㎡,电池反响面积(active area)区域的高宽比为1:2,反响面积与总面积比为0.4:1(0.4:1为电化学反响面积与总面积比例,此中脊下MEA区域不计入反响面积)。


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Mirai电堆构造


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Mirai电池尺寸(SAI发布)


燃料电池堆的零件包罗双极板、密封圈、气体扩散层、催化层和质子交换膜等,下图为丰田Mirai燃料电池堆零件供应商清单。当心,相关催化剂和密封圈的材料和制备技能皆计入了资本盘算;虽然丰田Mirai燃料电池采用美国戈尔公司生产的GORE-SELECT质子交换膜,但其资本并没有被直接纳入SAI公司的资本盘算研讨中,而是通过采用常规的质子交换膜制备技能来盘算资本。


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丰田Mirai燃料电池堆零件供应商清单


催化剂制备


由上述丰田Mirai燃料电池堆零件供应商清单可知,Mirai电堆的催化剂由科特拉(CATALER)制备。SAI公司的资本研讨顶用到了来自于科特拉的两项催化剂合成专利。除了为进步耐久性的石墨化碳粉附加加工方法外,科特拉的催化剂加工方法与去合金化PtNiO3/C合成方法十分相似。


据报道,可应用自基肃清方法向催化剂中到场氧化铈来进步耐久性。据相关材料,假设Pt负载量为0.3mg Pt/c㎡,于是每块电堆约30gPt。当心,因为目前还没有直接来自丰田的参考材料来验证这种催化剂Pt负载量,该数值还需求通过灵敏度剖析验证。


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Mirai电堆PtCo催化剂石墨化合成制备流程


制备PtCo催化剂方法中,假定铂供体材料(六羟基铂酸盐)资本是铂供体材料(氯铂酸)两倍。催化剂合成进程中的材料、制备和加价等细分明细如下图所示。年产量1000套(堆)状况下,相关材料(不包罗Pt)、催化剂合成和相关处理等均加价(markup)25%。


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年产量为1000套和3000套状况下PtCo催化剂合成资本


Mirai催化剂通过间歇槽模涂布方法制备。SAI公司资本研讨提到催化层通过间歇槽模涂布方法制备工艺大约资本为每个电堆$800。间歇槽模涂布方法可以淘汰非活性区域部分涂膜变成的材料糜费。下图为丰田运用的间歇槽模涂布体系示意。


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丰田间歇槽模涂布配备示意


钛金属板外面无定形碳涂层制备


丰田发布的相关文献显示,Mirai双极板为外面附永中共轭无定形碳涂层的冲压钛金属极板。钛金属极板外面碳涂层由氩气等离子体清洗方法和等离子体化学气相重积法等方法制备。资本模子基于丰田专利,该专利确定了制备无定性碳及变成必定涂层厚度流程中所用的前体气体配方(precursor gas formulations)。


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钛金属极板外面无定形碳涂层制备流程


起首将每块薄板手动装入PECVD真空室(45cm直径×30cm高的容腔),抽空腔室后,运用氩等离子体洁净外面5秒钟。氮载气体状况中由吡啶前体变成50nm厚的无定形碳涂层。当心,等离子体是通过电场电离变成并运用磁场来掌握。重积10s后,手动卸载极板。紧叫∨,颠末2分钟的硝酸蚀刻进程和1分钟漂洗进程完毕涂层。


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等离子体化学气相重积法配备示意(丰田发布)


如下图所示,年生产1000套体系(电堆)状况下,等离子体化学气相重积法进程占总涂层资本的58%(0.63/1.08),蚀刻方法占领盈余资本。蚀刻资本中,蚀刻东西(etching tooling)是主要花销。因为目前未睹蚀刻工艺的精细细节,于是简单假设蚀刻东西资本为每1000次蚀刻花费5000美元用于蚀刻材料或过滤。没有相关材料阐明蚀刻进程中的材料数目或类型,于是,预估的蚀刻东西资本可以有收支。


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钛板外面无定形碳涂层资本构成


密封圈制备


丰田Mirai燃料电池堆密封圈由丰田汽车公司控股住友理工(Sumitomo Riko)公司计划和开辟。Mirai燃料电池堆的密封圈计划包罗两个部分,即MEA四周的注塑成型构造密封圈(injection moleded frame gasket around the MEA)和双极板注塑成型密封圈(injection moleded bipolar plate gasket)。


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密封原理


葱 友理工公司的两篇密封圈计划专利可以看出Mirai燃料电池堆密封圈的制备和拼装流程,如下图所示,专利中提到了一种采用EPDM橡胶材料及其制备燃料电池密封圈的方法。EPDM材料预成形的注塑成型进程分为两步:双极板密封圈预成形和MEA构造密封圈预成形。将组合#1和组合#2放入单个模具中并将涂层施加到阴极双极板上,然后150℃下夹紧并加热10分钟以变成交联EPDM,变成密封和构成完毕后的单电池。


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住友理工密封圈制备流程(涂料用于添加附出力)


资本研讨外明,因为加工时间长且一个模具中同时加热的部件数目有限(对应上图方法三种“EPDM加热至150℃继续10分钟”进程),导致电池拼装资本超越密封圈工艺总资本的60%(上图中三个方法总资本为每个Mirai电堆$939)。对应上述方法中涉及双极板相关的资本仅占10%,方法一和方法二中注塑成型约占30%。举措丰田汽车公司的供应商,住友理工向其供应注塑密封圈,假设只对注塑密封圈加价30%,着末交由丰田汽车公司拼装单电池。


气体分布歧管


丰田Mirai燃料电池堆包罗一个铝质的气体分派歧管和Kuraray GENESTAR树脂,该部分充当电堆端板、进出口管道和绝缘体。


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Mirai进气歧管实物


此中,树脂组件模制铝板上。该树脂是一种专有的聚酰胺材料,可将铝板与电堆绝缘开。另外,树脂含有低沉电导率的添加剂,吸水性也较低(高温下的高吸水性会低沉树脂材料的电绝缘性)。模内注塑进程占领歧管总资本67%(约$277/个)。


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Mirai进气歧管示意


从材料和工艺精细盘算丰田Mirai燃料电池堆资本为$14545

电堆歧管资本估量


Mirai电堆资本


我们来逐项比较年生产量1k和3k套系泪田Mirai电堆和SAI公司净功率为88.5kW的基准电堆的资本。年生产量1k套时,Mirai单个电堆资本约为$14545,SAI公司净功率88.5kW基准电堆单个资本约为$9700。


从材料和工艺精细盘算丰田Mirai燃料电池堆资本为$14545

年生产量1k和3k下Mirai电堆资本细分


两种电堆资本比较如下外所示。资本差别主要由以下因素变成:

1. Mirai燃料电池堆钛金属双极板比基准电堆中不锈钢双极板资本高。

2. Mirai的Pt载量较高为0.4 mg/c㎡,比基准电堆Pt载量高(基准电堆中Pt载量为0.125 mg/c㎡)。启事可以是大Pt载量进步耐久性。

3. 因为Mirai电堆的附件部件(如歧管)较众,于是资本比基准电堆高。

4. 尽管有些Mirai电堆部件采用与基准电独鬣同的制备流程和方法,但Mirai电堆的有用反响面积(9.91㎡)大于基准电堆(8.88 ㎡)。


从材料和工艺精细盘算丰田Mirai燃料电池堆资本为$14545

Mirai和SAI公司88.5kWnet电堆资本比较


注:图文材料根源于Strategic Analysis Inc.2017年相关报告


稿件根源: 燃料电池干货
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