作為全球最早研發(fā)燃料電池的汽車生產(chǎn)商之一，本田汽車公司從上世界80年底后期開始著手燃料電池的研發(fā)工作，并自1999年開始進(jìn)行燃料電池車用實(shí)驗(yàn)工作。目前，本田公司旗下最新燃料電池汽車FCVClarity所搭載的電堆體積功率密度約為3.1kW/L左右，達(dá)到全球領(lǐng)先水平。車用燃料電池對電堆的體積功率密度和質(zhì)量功率密度都提出了很高的要求。

其中，雙極板作為燃料電池核心部件之一，重量占據(jù)電堆質(zhì)量的80%以上，制造成本約占總成本的29%。目前，流場板和雙極板“同一化”是個(gè)趨勢，即流場板起著導(dǎo)氣、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、支撐等全部功能，本田Clarity燃料電池堆就是其中之一。本文將從流場結(jié)構(gòu)和電堆結(jié)構(gòu)角度對本田Clarity搭載的燃料電池電堆進(jìn)行深度解析。

豐田Mirai

現(xiàn)代ix35

本田FCVClarity

圖1豐田、現(xiàn)代和本田燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置形式對比

本田FCVClarity燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置形式和現(xiàn)代ix35燃料電池汽車相似，高度集成化的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的集成化依賴于每個(gè)零部件的高效工作，最大輸出功率103kW的燃料電池電堆和兩級增壓空壓機(jī)、加濕器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等附件在動(dòng)力控制單元的系統(tǒng)控制下完成協(xié)同工作。在對重量和體積要求高的汽車上，高度集成的燃料電池系統(tǒng)需要高體積功率密度和高質(zhì)量功率密度的燃料電池電堆。因此，電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于電堆的高性能輸出至關(guān)重要。

圖2本田燃料電池汽車搭載電堆的進(jìn)化情況

流場設(shè)計(jì)關(guān)乎到反應(yīng)氣體能否及時(shí)、高效、均勻的輸送到電化學(xué)的反應(yīng)場所-催化層三相界面。此外，流場設(shè)計(jì)的優(yōu)良和燃料電池的水管理能力相關(guān)，比如目前電池的脊(英文rib或land)越來越窄化，以此來優(yōu)化脊下水淹現(xiàn)象和強(qiáng)化氣體傳質(zhì)效果。流場結(jié)構(gòu)或者電池結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和布局關(guān)系到電堆結(jié)構(gòu)的緊湊性、密封性和輸出性能。

1.電堆輕質(zhì)和緊湊

為了降低電池厚度，有必要減少陰陽極氣體流道和MEA的厚度。根據(jù)公式有氣體流道的深度=液態(tài)水Adhesionforce/液態(tài)水Drainageforce。當(dāng)氫氣和空氣流道變淺或變薄時(shí)，產(chǎn)物水在氣體流道中的附著力大大增加，導(dǎo)致水在流道中積聚和無法排出，因此氣體傳質(zhì)受阻，性能下降。陰陽極氣體進(jìn)入電池平面內(nèi)主要有三種形式，即順流、逆流和交叉流。在本田公司2006版燃料電池結(jié)構(gòu)中，陰陽極氣體均為自上向下的順流(利用重力)，稱之為V-Flow結(jié)構(gòu)。重力存在有益于液體水的排出，采用V-Flow結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電池，氣體流道的厚度降低了17%。

圖3本田2006版燃料電池V-Flow結(jié)構(gòu)原理

最新一代Clarity車搭載的燃料電池電堆氣體采用水平相向的流動(dòng)方式，2塊MEA與3塊隔板構(gòu)成一個(gè)電池單元，組成獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)。如圖7和圖9所示，由于FCVClarity燃料電池雙極板結(jié)合形式為“三合一”，需要設(shè)計(jì)一段特殊的機(jī)構(gòu)---進(jìn)氣歧管到MEA表面部分，如圖11的resinification部分。此外，通過保持MEA相對濕度的均一性和降低濕潤性水平后，進(jìn)一步降低了電池厚度。該種方法使得產(chǎn)物水無法凝結(jié)成液態(tài)水，極大降低甚至壁面了水在流道中的附著積聚。根據(jù)本田的公開資料顯示，即使在低負(fù)荷(堵水易發(fā)生在低負(fù)荷和高負(fù)荷情況下)下，drainageforce也會(huì)消失。

圖4本田2006版燃料電池V-Flow結(jié)構(gòu)流場形式

圖5Clarity燃料電池"Onecoolinglayerpertwocells"結(jié)構(gòu)

圖6Clarity燃料電池"Onecoolinglayerpertwocells"半實(shí)物圖

圖7本田專利中的“Onecoolinglayerpertwocells”結(jié)構(gòu)示意圖

圖8本田專利中電池平面布局

得益于Clarity燃料電池的流場結(jié)構(gòu)，濕潤的空氣給進(jìn)口端帶來了充足的水分，產(chǎn)物水向陰極出口方向移動(dòng)，期間把水分帶給MEA；然后水分穿過MEA反擴(kuò)散至陽極側(cè)，濕潤陽極側(cè)入口處；陰陽極側(cè)均有水分的循環(huán)管理能力(比如陽極側(cè)的引射器和陰極側(cè)的加濕器等)。通過上述方案使得在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的MEA表面水分得以循環(huán)、均勻分布。

圖9MEA中的擴(kuò)散行為

圖10氣體從歧管至流道的均勻分布

由于本田Clarity燃料電池金屬材質(zhì)流場板的特殊結(jié)構(gòu)和沖壓成型工藝，一面切割，另一面凸出，合適的陰陽極流道分布可以在同一個(gè)流場板上形成。為了得到上述流場板，在MEA的外部設(shè)計(jì)了從進(jìn)氣歧管到MEA表面的樹脂結(jié)構(gòu)。該樹脂結(jié)構(gòu)可以使得陰陽極氣體在一張流場板的兩側(cè)分別傳質(zhì)(感興趣的小伙伴可以一起討論)。

2.雙極板力學(xué)設(shè)計(jì)

對于本田最新流場板，厚度降低的同時(shí)，也會(huì)帶來材料的破壞現(xiàn)象，如圖14所示，尤其對于車用中復(fù)雜顛簸工況。對于工作中的燃料電池來說，雙極板除了承受來自電堆兩端端板傳遞的夾緊力之外，還受反應(yīng)氣體壓力、冷卻水壓力和MEA材料的膨脹(或縮水)耦合效應(yīng)。因此，必須對雙極板的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。雙極板的設(shè)計(jì)參數(shù)有Channelpitch、Flatlength、Angle、CornerR和Channeldepth，如圖11所示。

圖11流場板(雙極板)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖12本田專利中燃料電池電堆結(jié)構(gòu)截面圖

圖13雙極板受力分析

圖14流場板破壞現(xiàn)象

本田汽車公司對于車用燃料電池金屬雙極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種力學(xué)設(shè)計(jì)方法。該方法聚焦不銹鋼的工作硬化特性，基于金屬材料的力學(xué)特性，定義了金屬隨應(yīng)變值變化的變形行為。通過使用FLD(forminglimitdiagram)方法獲得金屬材料的有效形變范圍，再通過測得的材料物理特性參數(shù)獲取局部應(yīng)變值。除此之外，通過microVickers硬度實(shí)驗(yàn)計(jì)算的局部應(yīng)變值獲得燃料電池運(yùn)行中的機(jī)械應(yīng)力。

圖15FLD

圖16FLD結(jié)果

3.提高抗沖擊性

本田燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)置于前車蓋下方，相比于豐田將燃料電池堆平鋪在中央通道下方的方法，有必要提高抗前方碰撞的耐沖擊性。因此，開發(fā)出以下結(jié)構(gòu)：配置有連接燃料電池電堆兩端的連接桿(Connnectionrod)，并且電堆上設(shè)置有凸起與連接桿的凹部相嚙合。本田報(bào)告顯示，上述設(shè)計(jì)將抗沖擊性提高到原有的4倍。該結(jié)構(gòu)可以有效避免沖擊時(shí)的電池偏移，防止氫氣從堆內(nèi)泄露，保護(hù)氫氣安全。

圖17本田最新電堆的Resin-framedMEA結(jié)構(gòu)

圖18電池的resin和密封膠結(jié)構(gòu)

圖19Resin結(jié)構(gòu)示意圖

圖20抗沖擊性1

圖21抗沖擊性2

得益于本田燃料電池的電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和MEA改良等一系列舉措后，Clarity車型燃料電池電堆的體積比FCX燃料電池降低30%，極限電流密度增加到1.5倍，電池平面單位面積發(fā)出的功率也增加到1.5倍，電堆體積功率密度達(dá)到全球領(lǐng)先級別-3.1kW/L。電堆的輸出性能(發(fā)電性能)和其低溫啟動(dòng)能力嚴(yán)格正相關(guān)。本田Clarity燃料電池電堆的小型化和MEA的改良，大大降低了熱容量，低溫下啟動(dòng)后，到達(dá)50%輸出功率的時(shí)間縮短了一半。

圖20

圖21本田FCVClarity燃料電池汽車搭載的燃料電池電堆外觀

4.文獻(xiàn)、技術(shù)報(bào)告和專利來源

本文相關(guān)的圖片和信息均整理自本田發(fā)布的技術(shù)報(bào)告和專利。涉及到的專利有US2012270137A1、US2013196249A1、US2014234742A1、US2012178004A1、US2014248549A1、US2014162163A1、US9941541B2、US20150072258A1、US9548502B2等。

技術(shù)報(bào)告主要來源于HondaR&DTechnicalReview。

作者/燃料電池博士