在10月8日国际氢能日当天，TOYOTA发布了一则令人振奋的消息：第二代MIRAI能够在一次完全加注氢气（5min）的条件下连续行驶1360公里。该项记录由职业超跑运动员韦恩－格德斯（Wayne Gerdes）和鲍勃－温格（Bob Winger）驾驶丰田第二代MIRAI汽车完成，并得到了吉尼斯世界记录的官方认定。

在8月23日，韦恩－格德斯驾驶第二代MIRAI汽车离开了位于加州加德纳的丰田技术中心，行驶到圣伊西德罗，然后是圣巴巴拉，最后返回丰田技术中心，共计473英里（761km）。8月24日，他们在洛杉矶和奥兰治县之间的圣地亚哥高速公路上继续行驶了372英里（599km）。

在两天的驾驶过程中，只加注了一次氢气，共计5．65kg，百公里耗氢量仅为0．415kg，展现出良好的经济性。如果氢能价格能够达到美国DOE2美元／Kg的目标，那么每百公里氢耗费用为0．83美元，折合人民币5．35元，与燃油车每百公里约40－50元的油费相比，展现出令人惊艳的经济性。

另外，本次行驶过程中第二代MIRAI产生的副产物只有水，而一辆内燃机动力轿车行驶相同的距离将排放约664磅（301kg）的二氧化碳。

丰田凭什么？

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三大技术升级

丰田是乘用车燃料电池技术的引领者，其在2014年发布的第一代MIRAI是世界上首款商业化的燃料电池乘用车，代表着当时最先进的乘用车燃料电池技术，引领中国乃至世界的乘用车燃料电池电堆研发方向。

而与第一代MIRAI相比，第二代MIRAI的燃料电池电堆在功率密度、集成度、制造成本等方面表现更加优异，这得益于电堆技术的再次进步，详述如下。

01流道结构的创新设计

在燃料电池内，双极板主要承担分配反应气体和促进电池内水排出的功能，以维持电池的稳定运行。然而，如图2所示，传统直流道容易发生水淹的不利工况，难以维持电流稳定。如图3所示，独特的新型3D精细流道结构能够加速排出扩散层内的水，维持良好的传质和电流的稳定。但这种结构会增加附件数目、制造成本和压力损失。与传统的直流道相比（只需要一个双极板），3D流道需要一个双极板和3D流场板，导致电池厚度增加和制造成本增加。为了解决压力损失的问题，沿电池长侧需要布置额外的空气岐管。

                     图2 直流道内的水分布

              图3 3D精细流道内的水分布

与此相比，第二代MIRAI中采用的流场采用局部紧缩的流道，利用两个流道间的压差进行传质，很好的平衡了传质能力增强与压力损失增长过大的问题。采用这种新型结构能够减少17％的单电池厚度，有助于降低电堆体积。由于减小了压力损失，空气岐管数量也从第一代MIRAI的四根降至两根。但是该种结构的氧浓度仍然能够媲美3D精细流场，并高出传统直流道2．3倍。为了进一步加强反应气分布均匀性和流道的排水能力，电池阳极采用波浪形流道，其反应气体的流动方向和阴极反应气体形成逆流的配合形式，这样可以使电池达到更好的自增湿效果。

图4 第二代MIRAI流道结构内的水分布和传质强化机理

02电极材料的创新设计

如图5所示，第一代电堆采用表面积小的碳作为Pt催化剂载体以提高Pt的活性面积。由于离聚物中的磺酸可能会溢出覆盖Pt催化剂，从而降低具有该种载体的催化剂的催化活性。为了解决这个问题，研发介孔碳作为新型催化剂载体。由于Pt催化剂（约80％）被内置于介孔碳的孔洞中，降低了离聚物与Pt表面的接触，因此阻止了磺酸的毒化作用。

图5 催化剂Pt在不同碳载体上的分布

除此之外，如图6所示，膜电极内的很多技术都做了相关改进。首先，催化层内的离聚物氧渗透率提升了3倍，质子传导率也由于增加了酸性官能团的数量提升了1．2倍。

第二，PtCo合金的使用能够有效提升催化活性并降低Pt载量。第三，通过合理增加质子交换膜支撑层的厚度比，质子交换膜的强度提升了10倍，但总厚度却减少了29％，这极大地提升了质子传导率（1．5倍）。

另外，增加膜还减少了氢气渗透率。最后，通过降低扩散层内碳纸的材料密度，增加孔隙率，提升了25％的传质能力。

图6 第二代MIRAI膜电极技术进步详解

03生产工艺的改进

如图7所示，为了促进批量化生产，推出了新一代的燃料电池密封技术。密封工艺由传统的EPDM硫化粘合改进为热塑性粘合和UV固化。新工艺过程比传统工艺过程快一百倍。

图7 新一代密封技术

如图8所示，第一代MIRAI的钛双极板表面使用Π共轭无定形碳（PAC）进行表面处理。这是一种等离子体CVD工艺，需要一个真空室产生等离子体，所需时间较长。第二代MIRAI开发了一种新的纳米复合材料（NC）的处理方法用于钛双极板的表面处理。该工艺是一种卷对卷的生产过程，因此只需要更少的加工时间。另外，NC结构层是碳和氧化钛的复合物，用于良好的电传导率和腐蚀抗性。由于NC和钛双极板的粘合性非常好，可以在金属板预成型之前进行NC工艺处理。

图8 双极板表面处理工艺（左）碳沉积（PAC）（右）纳米复合材料（NC）

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优异表现

基于流道结构和膜电极的优化，第二代MIRAI燃料电池的功率密度提升了15％。电堆峰值功率从114kW提升到128kW。与此同时，单电池个数从370个降至330个，单个电池厚度从1．34mm减少至1．11mm，尺寸从33L降到24L，重量从41kg降到24kg（均不包括端板）。故而，新一代MIRAI达到了世界上最高的体积功率密度（从3．5kW／L到5．4kW／L）和最大的功率密度（从2．8kW／kg到5．4kW／kg）。然而，电堆制造成本却减少了四分之三。

基于生产工艺的优化，密封结构的加工和双极板的涂层处理所需时间都从分钟级降至秒级，大大提高了电堆的生产效率。