本田汽車公司自2003年發(fā)布其自制第一代金屬極板燃料電池堆以來，已成功發(fā)展到2016年搭載FCV Clarity燃料電池汽車的第三代金屬極板燃料電池堆。本田汽車公司在開發(fā)第一、二、三代金屬極板燃料電池堆過程中，哪些技術(shù)和細(xì)節(jié)發(fā)生了迭代呢？
本田汽車公司自1999年正式推出搭載巴拉德電堆的燃料電池原型車FCX-V1以來，一直堅(jiān)持自主研發(fā)燃料電池系統(tǒng)。第一輛原型車FCX-V1于1999年正式推出，采用了巴拉德公司功率60 kW的石墨極板燃料電池堆，系統(tǒng)輸出功率49 kW。此外，1999年也首次為測試原型車FCV-V2配備了本田自制以在線重整甲醇為氣源的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，系統(tǒng)輸出功率49 kW(60 kW電堆)。2000年，本田分別推出搭載巴拉德公司和本田自制石墨燃料電池堆的兩款原型車FCX-V3。
本田FCX原型車演變情況
2003年10月，本田汽車公司首次發(fā)布自制金屬極板電堆，開啟本田自制金屬極板燃料電池堆的歷史首秀。2004年11月，全球第一輛搭載帶有整體密封件沖壓金屬雙極板電堆的燃料電池車FCX在美國亮相。本文講述本田金屬極板燃料電池堆的歷史演變(下文出現(xiàn)的年份以搭載本田電堆的車型上市時(shí)間為依據(jù))。
本田搭載金屬極板燃料電池車演變
本田自制電堆性能演變
第一代
本田汽車公司第一款搭載其自制金屬極板燃料電池堆的車型是2004款兩箱版FCX。該款車型中，燃料電池系統(tǒng)位于FCX底盤，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪結(jié)構(gòu)位于引擎蓋下方。燃料電池模塊采用雙堆結(jié)構(gòu)(two-box)，單堆體積、重量和功率分別為33 L、48 kg和50 kW。雙堆組成的燃料電池堆模塊輸出功率為86 kW，電堆工作溫度區(qū)間官方顯示-20℃~95℃。
本田FCX動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本田第一代金屬極板燃料電池堆(2004 FCX搭載)
2004 FCX燃料電池雙堆配置
本田汽車公司2004款FCX燃料電池堆最大變化在于金屬極板取代了石墨板(相比2002款FCX)。本田汽車公司開發(fā)了一種含導(dǎo)電涂層的不銹鋼板，利用不銹鋼的高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，使得-20℃環(huán)境下不銹鋼極板接觸電阻僅為石墨極板接觸電阻1/4。高強(qiáng)度不銹鋼使得雙極板厚度做到石墨板的一半，有效提升功率密度。此外，不銹鋼極板導(dǎo)熱系數(shù)比石墨板高出約5倍，強(qiáng)化了整堆的升溫能力。最后，為有效提升導(dǎo)電性和耐腐性能，不銹鋼極板表面涂層中添加導(dǎo)電粒子(導(dǎo)電金屬夾雜物)。
2004款FCX不銹鋼極板和石墨極極板對比情況
2004款FCX不銹鋼極板表面處理
2004款FCX金屬極板采用水平逆流進(jìn)氣形式，陰陽極流道為直流道。板上氫、氧和水通道位于雙極板水平方向左右兩端，板面存在流場分配區(qū)域。單電池冷卻方式采用“兩單元兩冷卻層”，即每片單電池的陰陽極板反面皆為水流場。
2004款FCX極板及電池結(jié)構(gòu)
2004款FCX搭載燃料電池的CCM采用轉(zhuǎn)印法制備，即先將催化層制備在轉(zhuǎn)印膜(支撐層)上，通過熱壓法將催化層轉(zhuǎn)移到質(zhì)子膜兩側(cè)，移除轉(zhuǎn)印膜即可獲得CCM。此外，2004款FCX金屬極板采用半自動(dòng)化方式連續(xù)沖壓單極板方法(2008款FCX Clarity采用高度自動(dòng)化的鋼卷漸進(jìn)式?jīng)_壓)。
2004款FCX極板沖壓流程
2004款FCX燃料電池CCM制備流程
第二代
本田汽車公司2008款FCX Clarity搭載了其自制第二代金屬板燃料電池技術(shù)。由于第二代金屬板燃料電池堆氣體流場采用順流垂直流動(dòng)(V-Flow)結(jié)構(gòu)，電堆變高變窄，置于FCX Clarity燃料電池車中央通道，如下圖所示。與上一代FCX燃料電池堆模塊采用雙堆不同，2008款FCX Clarity采用單堆模塊，單堆輸出功率100 kW，重量67 kg(質(zhì)量功率密度1.49 kW/L)，體積52 L(體積功率密度1.92 kW/L)，單堆工作溫度區(qū)間為-30℃~95℃。
本田2008款FCX Clarity結(jié)構(gòu)
本田汽車公司2008款FCX Clarity電堆拋棄上一代水平進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而選擇波紋性流道垂直進(jìn)氣方式，主要基于排水考量。燃料電池正常運(yùn)行時(shí)伴隨大量的水生成，水在流道中過多累積將造成反應(yīng)氣在電池流場表面分布不均勻。因此，水管理成為影響燃料電池發(fā)電效率的重要因素。
本田2008款FCX Clarity電池極板擺放
為開發(fā)高功率密度電堆，有必要降低氣場槽深來減少電池厚度。但降低氣體流道深度會(huì)提高流道中水的粘著力，引發(fā)水聚集甚至堵塞。氣體流道槽深h、附著力f和排水力F的關(guān)系可以用h=f/F公式表達(dá)，其中，排水力F=P1-P1+G(參考下圖)。為在減少氣體流道深度的同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出性能，有必要將排水力F增加到因減小流道深度而水附著力增加相同的程度。 因此，本田汽車公司開發(fā)出了垂直進(jìn)氣電堆結(jié)構(gòu)，即氫氣和空氣垂直從頂端進(jìn)入、底部出堆。
本田2008款FCX Clarity電池流道垂直流動(dòng)結(jié)構(gòu)
2004款FCX搭載電堆氣體進(jìn)出口壓差是流道中水排出的唯一驅(qū)動(dòng)力。2008款FCX Clarity中通過在進(jìn)出口壓差中增加了重力項(xiàng)，提高了排水能力，使得氣體流道降低的同時(shí)發(fā)電性能能夠穩(wěn)定維持。和2004款FCX電堆相比，2008款FCX Clarity電堆氣體流道不僅降低17%，而且排水能力有所上升。
本田流道槽深比較
燃料電池輸出性能可以通過冷卻液和氣體均勻分布發(fā)電表面實(shí)現(xiàn)最大化。尤其針對冷卻流場，如果局部區(qū)域冷卻液流動(dòng)不均勻造成膜電極局部溫度過高，將造成電池表面發(fā)電不均勻和局部熱點(diǎn)。在2004款FCX電堆中，氫氣、空氣和冷卻液三場流體流向一致，使三場的歧管(進(jìn)氣通道)并排布置在電池一側(cè)。由于三場共享電池一側(cè)長度，造成每種流體流入發(fā)電表面的寬度變窄，影響氣體分布。
本田2008款FCX Clarity波紋性氣體流場垂直結(jié)構(gòu)
2008寬FCX Clarity電堆將氣體進(jìn)出方向垂直布置，電池發(fā)電表面短邊一分為二，實(shí)現(xiàn)了氣體在發(fā)電表面的均勻分布。此外，冷卻液水平走向，與氣體走向相交，實(shí)現(xiàn)冷卻液均勻分配發(fā)電表面。相比于直流道，在直線距離相等情況下，波紋形狀流道沿氣體方向長度大于直流道，蜿蜒流道改變氣體姿態(tài)，提高氣體傳質(zhì)特性。相比直流道，由于波紋形有效利用了電池發(fā)電表面，輸出性能可以提升約10%。
波紋形流場提高氣體分布
2008款FCX Clarity燃料電池電池采用“兩單元一冷卻層”結(jié)構(gòu)，即膜電極兩側(cè)陰陽極板的兩個(gè)背面，一背面為氣場，另一背面為冷卻液場，如下圖所示。相比上一代2004款FCX，F(xiàn)CX Clarity電堆每片單電池的冷卻層減少一半，每兩片膜電極所需的極板數(shù)量從4減到3，使得電堆厚度降低達(dá)20%(體積功率密度提升50%)，電堆質(zhì)量降低達(dá)30%(質(zhì)量功率密度提升67%)。
本田2008款FCX Clarity電堆冷卻結(jié)構(gòu)
FCX Clarity電堆在上一代的基礎(chǔ)上熱質(zhì)量降低了40%。熱質(zhì)量的降低來自于冷卻液體積的減少、雙極板片數(shù)的降低、單堆模塊中零部件數(shù)量的減少。在-20 ℃環(huán)境下，F(xiàn)CX Clarity電堆自啟動(dòng)至50%額定功率用時(shí)降低了3/4，并且具備自-30℃低溫環(huán)境啟動(dòng)能力。
低溫性能比較(-20 ℃)
與上一代采用轉(zhuǎn)印法制備CCM不同，F(xiàn)CX Clarity采用絲網(wǎng)印刷方法在質(zhì)子膜上制備CCM，精確控制電極(催化層)狀態(tài)以在卷狀質(zhì)子膜上涂覆一層電極。新一代金屬極板采用鋼卷漸進(jìn)式?jīng)_壓方式以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。由于上一代金屬電堆用膜電極容易破壞，燃料電池層疊過程成為一個(gè)挑戰(zhàn)。FCX Clarity燃料電池采用2片MEA+3片極板組成一個(gè)裝配單元(一個(gè)單元2片單電池)，通過機(jī)器人自動(dòng)化完成層疊過程。
本田2008款FCX Clarity燃料電池CCM制備
本田2008款FCX Clarity極板沖壓示意
本田2008款FCX Clarity雙極沖壓線
第三代
本田汽車公司2016款FCV Clarity搭載本田自制第三代金屬極板燃料電池堆，電堆、系統(tǒng)零部件、電機(jī)和控制器等組成的高度集成化燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下，鋰電池組占據(jù)底盤位置。第三代金屬極板燃料電池繼續(xù)降低流道槽深，采用水平波紋逆流進(jìn)氣形式，實(shí)現(xiàn)世界級高功率密度3.1 kW/L。與2008款FCX Clarity燃料電池堆相比，實(shí)現(xiàn)體積功率密度增加60%，質(zhì)量功率密度增加35%。
FCV Clarity燃料電池汽車結(jié)構(gòu)
為降低電池厚度、提高功率密度，應(yīng)從降低流道槽深和膜電極厚度兩個(gè)方面入手。在上一代FCX Clarity燃料電池的進(jìn)氣順流垂直結(jié)構(gòu)中，陰陽極氣體順流從上而下，重力被用來提升排水能力，在降低電池厚度的同時(shí)尚可維持穩(wěn)定性能輸出。新一代FCV Clarity燃料電池中，通過膜電極濕度均勻化和降低加濕要求，電池厚度得到進(jìn)一步降低。膜電極濕度均勻化和加濕量降低使得電化學(xué)反應(yīng)生成水在凝結(jié)前排水電堆，避免了生成水附著在氣體流道。這種現(xiàn)象即使在低載運(yùn)行的時(shí)候也同樣適用，雖然低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氣體流速降低(壓差形成的排水能力較小)，氣體流場仍然排水性良好。
FCV Clarity燃料電池進(jìn)氣結(jié)構(gòu)
首先，F(xiàn)CV Clarity燃料電池陰陽極進(jìn)氣方式從上一代垂直順流變成水平逆流。濕空氣在電池入口段向膜電極提供水分，產(chǎn)物水向電池陰極出口端移動(dòng)，濕潤出口端膜電極。緊接著，空氣出口段水分反擴(kuò)散至陽極入口，陽極入口水分沿流道方向傳質(zhì)擴(kuò)散，從而在膜電極內(nèi)形成水循環(huán)閉路，使膜電極水分均勻。
膜電極濕度均勻化原理
2008款FCX Clarity和2016款FCV Clarity燃料電池電池結(jié)構(gòu)都采用“兩單元一冷卻層”結(jié)構(gòu)(如下圖所示)，其中被兩片MEA包夾的極板一側(cè)為氫氣流路，另一側(cè)為氧氣流路。由于金屬雙極板采用沖壓成形，被MEA包夾的雙極板通常一側(cè)流場細(xì)節(jié)先確定，另一側(cè)沖壓凸出成形，因此該板兩側(cè)氣體流場如何均勻?qū)Я髦陵P(guān)重要。為了讓兩片MEA包夾的極板兩側(cè)分別良好導(dǎo)流氫氣和氧氣，需要對膜電極進(jìn)行凸起(embossed forms)設(shè)計(jì)。
兩單元一冷卻層結(jié)構(gòu)
2016款FCV Clarity燃料電池對膜電極外圍的樹脂框架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并且與外圍樹脂框架接觸的極板保持平坦(無凹凸)。外圍樹脂框架部分設(shè)計(jì)出流槽，以給兩側(cè)分別導(dǎo)流氫氣和氧氣，保證電池表面氣體分布均勻。注意，F(xiàn)CX Clarity電池中，電極(催化層)為規(guī)則矩形狀，質(zhì)子膜和擴(kuò)散層為不規(guī)則形狀；FCV Clarity電池中，膜電極為規(guī)則矩形狀。
膜電極結(jié)構(gòu)對比
此外，質(zhì)子膜超薄化以降低電池厚度、強(qiáng)化產(chǎn)物水反擴(kuò)散性能；增加擴(kuò)散層孔隙率以提高氣體擴(kuò)散性能和排水能力(陽極電極提高氣體擴(kuò)散性能，即使電極厚度降低也可以提高氫氣擴(kuò)散性能)。與FCX Clarity燃料電池相比，上述措施使得電池所需加濕量降低40%，意味著在低載荷運(yùn)行期間(氣量少導(dǎo)致壓差驅(qū)動(dòng)的排水性能差)，電池甚至可以不用加濕。因此，F(xiàn)CV Clarity燃料電池有望實(shí)現(xiàn)氣體凝結(jié)前排水、產(chǎn)物水附著流道不再發(fā)生、氣體流道槽深再降低26%(與上一代相比)。本田汽車公司通過降低質(zhì)子膜和擴(kuò)散層厚度來降低膜電極厚度，實(shí)現(xiàn)單電池厚度降低20%到1 mm厚。因此無需采用上一代FCX Clarity燃料電池采用重力強(qiáng)化排水能力的做法。
樹脂框架MEA
2008款FCX Clarity燃料電池電池主要通過垂直進(jìn)氣結(jié)構(gòu)提升排水能力和降低40%熱質(zhì)量來提高低溫啟動(dòng)性能。2016款FCV Clarity則主要通過降低熱質(zhì)量、減少膜電極組件面積電阻來提升溫升。質(zhì)子膜變薄、提高質(zhì)子膜電導(dǎo)率、擴(kuò)散層變薄等措施進(jìn)一步降低膜電極組件的面積電阻。通過保持膜電極表面水分均勻進(jìn)一步減少低濕環(huán)境下的質(zhì)子膜電阻(逆流實(shí)現(xiàn))。上述措施使電堆在-20℃環(huán)境下的電阻降低1/3，提高了啟動(dòng)性能。降低流道槽深和電池片數(shù)實(shí)現(xiàn)體積更小重量更輕，電池內(nèi)冷卻液的體積也減少，這些使得電堆熱質(zhì)量降低12%，提高了啟動(dòng)過程功率增加速度(相比上一代電堆，-20℃環(huán)境下自啟動(dòng)至50%功率耗時(shí)降低一半)。
FCV Clarity低溫啟動(dòng)性能(-20℃)
2008款FCX Clarity燃料電池膜電極制備技術(shù)主要包括基底層上微孔層涂覆技術(shù)和質(zhì)子膜上催化層涂覆技術(shù)。如前所述，2008款燃料電池膜電極中催化層為矩形，質(zhì)子膜和氣體擴(kuò)散層為不規(guī)則矩形狀。由于發(fā)電區(qū)限于催化層，導(dǎo)致質(zhì)子膜和氣體擴(kuò)散層面積利用率較低。在新一代FCV Clarity燃料電池中，膜電極外圍設(shè)立了樹脂邊框，發(fā)電區(qū)域形狀規(guī)則化。發(fā)電區(qū)域形狀矩形化后可使微孔層和催化層在卷狀擴(kuò)散層上涂覆形成，之后采用多腔沖孔法將膜電極沖切下來，從而實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)生產(chǎn)，如下圖所示。上述措施大大提高了材料利用率，在膜電極面積相同情況下，質(zhì)子膜和擴(kuò)散層使用量降低了40%，提高產(chǎn)量，降低成本。
FCV Clarity膜電極制備
