【魔方新能源•技术】本田第一、二、三代金属堆演变之路

本田汽车公司自2003年发布其自制第一代金属极板燃料电池堆以来，已成功发展到2016年搭载FCV Clarity燃料电池汽车的第三代金属极板燃料电池堆。本田汽车公司在开发第一、二、三代金属极板燃料电池堆过程中，哪些技术和细节发生了迭代呢？

本田汽车公司自1999年正式推出搭载巴拉德电堆的燃料电池原型车FCX-V1以来，一直坚持自主研发燃料电池系统。第一辆原型车FCX-V1于1999年正式推出，采用了巴拉德公司功率60 kW的石墨极板燃料电池堆，系统输出功率49 kW。此外，1999年也首次为测试原型车FCV-V2配备了本田自制以在线重整甲醇为气源的质子交换膜燃料电池堆，系统输出功率49 kW（60 kW电堆）。2000年，本田分别推出搭载巴拉德公司和本田自制石墨燃料电池堆的两款原型车FCX-V3。

本田FCX原型车演变情况

2003年10月，本田汽车公司首次发布自制金属极板电堆，开启本田自制金属极板燃料电池堆的历史首秀。2004年11月，全球第一辆搭载带有整体密封件冲压金属双极板电堆的燃料电池车FCX在美国亮相。本文讲述本田金属极板燃料电池堆的历史演变（下文出现的年份以搭载本田电堆的车型上市时间为依据）。

本田搭载金属极板燃料电池车演变

本田自制电堆性能演变

第一代

本田汽车公司第一款搭载其自制金属极板燃料电池堆的车型是2004款两箱版FCX。该款车型中，燃料电池系统位于FCX底盘，驱动电机和齿轮结构位于引擎盖下方。燃料电池模块采用双堆结构（two-box），单堆体积、重量和功率分别为33 L、48 kg和50 kW。双堆组成的燃料电池堆模块输出功率为86 kW，电堆工作温度区间官方显示-20℃——95℃。

本田FCX动力系统结构

本田第一代金属极板燃料电池堆（2004 FCX搭载）

2004 FCX燃料电池双堆配置

本田汽车公司2004款FCX燃料电池堆最大变化在于金属极板取代了石墨板（相比2002款FCX）。本田汽车公司开发了一种含导电涂层的不锈钢板，利用不锈钢的高导热性和导电性，使得-20℃环境下不锈钢极板接触电阻仅为石墨极板接触电阻1/4。高强度不锈钢使得双极板厚度做到石墨板的一半，有效提升功率密度。此外，不锈钢极板导热系数比石墨板高出约5倍，强化了整堆的升温能力。最后，为有效提升导电性和耐腐性能，不锈钢极板表面涂层中添加导电粒子（导电金属夹杂物）。

2004款FCX不锈钢极板和石墨极极板对比情况

2004款FCX不锈钢极板表面处理

2004款FCX金属极板采用水平逆流进气形式，阴阳极流道为直流道。板上氢、氧和水通道位于双极板水平方向左右两端，板面存在流场分配区域。单电池冷却方式采用“两单元两冷却层”，即每片单电池的阴阳极板反面皆为水流场。

2004款FCX极板及电池结构

2004款FCX搭载燃料电池的CCM采用转印法制备，即先将催化层制备在转印膜（支撑层）上，通过热压法将催化层转移到质子膜两侧，移除转印膜即可获得CCM。此外，2004款FCX金属极板采用半自动化方式连续冲压单极板方法（2008款FCX Clarity采用高度自动化的钢卷渐进式冲压）。

2004款FCX极板冲压流程

2004款FCX燃料电池CCM制备流程

第二代

本田汽车公司2008款FCX Clarity搭载了其自制第二代金属板燃料电池技术。由于第二代金属板燃料电池堆气体流场采用顺流垂直流动（V-Flow）结构，电堆变高变窄，置于FCX Clarity燃料电池车中央通道，如下图所示。与上一代FCX燃料电池堆模块采用双堆不同，2008款FCX Clarity采用单堆模块，单堆输出功率100 kW，重量67 kg（质量功率密度1.49 kW/L），体积52 L（体积功率密度1.92 kW/L），单堆工作温度区间为-30℃——95℃。

本田2008款FCX Clarity结构

本田汽车公司2008款FCX Clarity电堆抛弃上一代水平进气结构，转而选择波纹性流道垂直进气方式，主要基于排水考量。燃料电池正常运行时伴随大量的水生成，水在流道中过多累积将造成反应气在电池流场表面分布不均匀。因此，水管理成为影响燃料电池发电效率的重要因素。

本田2008款FCX Clarity电池极板摆放

为开发高功率密度电堆，有必要降低气场槽深来减少电池厚度。但降低气体流道深度会提高流道中水的粘着力，引发水聚集甚至堵塞。气体流道槽深h、附着力f和排水力F的关系可以用h=f/F公式表达，其中，排水力F=P1-P1+G（参考下图）。为在减少气体流道深度的同时兼顾实现稳定输出性能，有必要将排水力F增加到因减小流道深度而水附着力增加相同的程度。因此，本田汽车公司开发出了垂直进气电堆结构，即氢气和空气垂直从顶端进入、底部出堆。

本田2008款FCX Clarity电池流道垂直流动结构

2004款FCX搭载电堆气体进出口压差是流道中水排出的唯一驱动力。2008款FCX Clarity中通过在进出口压差中增加了重力项，提高了排水能力，使得气体流道降低的同时发电性能能够稳定维持。和2004款FCX电堆相比，2008款FCX Clarity电堆气体流道不仅降低17%，而且排水能力有所上升。

本田流道槽深比较

燃料电池输出性能可以通过冷却液和气体均匀分布发电表面实现最大化。尤其针对冷却流场，如果局部区域冷却液流动不均匀造成膜电极局部温度过高，将造成电池表面发电不均匀和局部热点。在2004款FCX电堆中，氢气、空气和冷却液三场流体流向一致，使三场的歧管（进气通道）并排布置在电池一侧。由于三场共享电池一侧长度，造成每种流体流入发电表面的宽度变窄，影响气体分布。

本田2008款FCX Clarity波纹性气体流场垂直结构

2008宽FCX Clarity电堆将气体进出方向垂直布置，电池发电表面短边一分为二，实现了气体在发电表面的均匀分布。此外，冷却液水平走向，与气体走向相交，实现冷却液均匀分配发电表面。相比于直流道，在直线距离相等情况下，波纹形状流道沿气体方向长度大于直流道，蜿蜒流道改变气体姿态，提高气体传质特性。相比直流道，由于波纹形有效利用了电池发电表面，输出性能可以提升约10%。

波纹形流场提高气体分布

2008款FCX Clarity燃料电池电池采用“两单元一冷却层”结构，即膜电极两侧阴阳极板的两个背面，一背面为气场，另一背面为冷却液场，如下图所示。相比上一代2004款FCX，FCX Clarity电堆每片单电池的冷却层减少一半，每两片膜电极所需的极板数量从4减到3，使得电堆厚度降低达20%（体积功率密度提升50%），电堆质量降低达30%（质量功率密度提升67%）。

本田2008款FCX Clarity电堆冷却结构

FCX Clarity电堆在上一代的基础上热质量降低了40%。热质量的降低来自于冷却液体积的减少、双极板片数的降低、单堆模块中零部件数量的减少。在-20 ℃环境下，FCX Clarity电堆自启动至50%额定功率用时降低了3/4，并且具备自-30℃低温环境启动能力。

低温性能比较（-20 ℃）

与上一代采用转印法制备CCM不同，FCX Clarity采用丝网印刷方法在质子膜上制备CCM，精确控制电极（催化层）状态以在卷状质子膜上涂覆一层电极。新一代金属极板采用钢卷渐进式冲压方式以实现大规模连续生产。由于上一代金属电堆用膜电极容易破坏，燃料电池层叠过程成为一个挑战。FCX Clarity燃料电池采用2片MEA+3片极板组成一个装配单元（一个单元2片单电池），通过机器人自动化完成层叠过程。

本田2008款FCX Clarity燃料电池CCM制备

本田2008款FCX Clarity极板冲压示意

本田2008款FCX Clarity双极冲压线

第三代

本田汽车公司2016款FCV Clarity搭载本田自制第三代金属极板燃料电池堆，电堆、系统零部件、电机和控制器等组成的高度集成化燃料电池动力系统置于引擎盖下，锂电池组占据底盘位置。第三代金属极板燃料电池继续降低流道槽深，采用水平波纹逆流进气形式，实现世界级高功率密度3.1 kW/L。与2008款FCX Clarity燃料电池堆相比，实现体积功率密度增加60%，质量功率密度增加35%。

FCV Clarity燃料电池汽车结构

为降低电池厚度、提高功率密度，应从降低流道槽深和膜电极厚度两个方面入手。在上一代FCX Clarity燃料电池的进气顺流垂直结构中，阴阳极气体顺流从上而下，重力被用来提升排水能力，在降低电池厚度的同时尚可维持稳定性能输出。新一代FCV Clarity燃料电池中，通过膜电极湿度均匀化和降低加湿要求，电池厚度得到进一步降低。膜电极湿度均匀化和加湿量降低使得电化学反应生成水在凝结前排水电堆，避免了生成水附着在气体流道。这种现象即使在低载运行的时候也同样适用，虽然低负荷运行时气体流速降低（压差形成的排水能力较小），气体流场仍然排水性良好。

FCV Clarity燃料电池进气结构

首先，FCV Clarity燃料电池阴阳极进气方式从上一代垂直顺流变成水平逆流。湿空气在电池入口段向膜电极提供水分，产物水向电池阴极出口端移动，湿润出口端膜电极。紧接着，空气出口段水分反扩散至阳极入口，阳极入口水分沿流道方向传质扩散，从而在膜电极内形成水循环闭路，使膜电极水分均匀。

膜电极湿度均匀化原理

2008款FCX Clarity和2016款FCV Clarity燃料电池电池结构都采用“两单元一冷却层”结构（如下图所示），其中被两片MEA包夹的极板一侧为氢气流路，另一侧为氧气流路。由于金属双极板采用冲压成形，被MEA包夹的双极板通常一侧流场细节先确定，另一侧冲压凸出成形，因此该板两侧气体流场如何均匀导流至关重要。为了让两片MEA包夹的极板两侧分别良好导流氢气和氧气，需要对膜电极进行凸起（embossed forms）设计。

两单元一冷却层结构

2016款FCV Clarity燃料电池对膜电极外围的树脂框架进行重新设计，并且与外围树脂框架接触的极板保持平坦（无凹凸）。外围树脂框架部分设计出流槽，以给两侧分别导流氢气和氧气，保证电池表面气体分布均匀。注意，FCX Clarity电池中，电极（催化层）为规则矩形状，质子膜和扩散层为不规则形状；FCV Clarity电池中，膜电极为规则矩形状。

膜电极结构对比

此外，质子膜超薄化以降低电池厚度、强化产物水反扩散性能；增加扩散层孔隙率以提高气体扩散性能和排水能力（阳极电极提高气体扩散性能，即使电极厚度降低也可以提高氢气扩散性能）。与FCX Clarity燃料电池相比，上述措施使得电池所需加湿量降低40%，意味着在低载荷运行期间（气量少导致压差驱动的排水性能差），电池甚至可以不用加湿。因此，FCV Clarity燃料电池有望实现气体凝结前排水、产物水附着流道不再发生、气体流道槽深再降低26%（与上一代相比）。本田汽车公司通过降低质子膜和扩散层厚度来降低膜电极厚度，实现单电池厚度降低20%到1 mm厚。因此无需采用上一代FCX Clarity燃料电池采用重力强化排水能力的做法。

树脂框架MEA

2008款FCX Clarity燃料电池电池主要通过垂直进气结构提升排水能力和降低40%热质量来提高低温启动性能。2016款FCV Clarity则主要通过降低热质量、减少膜电极组件面积电阻来提升温升。质子膜变薄、提高质子膜电导率、扩散层变薄等措施进一步降低膜电极组件的面积电阻。通过保持膜电极表面水分均匀进一步减少低湿环境下的质子膜电阻（逆流实现）。上述措施使电堆在-20℃环境下的电阻降低1/3，提高了启动性能。降低流道槽深和电池片数实现体积更小重量更轻，电池内冷却液的体积也减少，这些使得电堆热质量降低12%，提高了启动过程功率增加速度（相比上一代电堆，-20℃环境下自启动至50%功率耗时降低一半）。

FCV Clarity低温启动性能（-20℃）

2008款FCX Clarity燃料电池膜电极制备技术主要包括基底层上微孔层涂覆技术和质子膜上催化层涂覆技术。如前所述，2008款燃料电池膜电极中催化层为矩形，质子膜和气体扩散层为不规则矩形状。由于发电区限于催化层，导致质子膜和气体扩散层面积利用率较低。在新一代FCV Clarity燃料电池中，膜电极外围设立了树脂边框，发电区域形状规则化。发电区域形状矩形化后可使微孔层和催化层在卷状扩散层上涂覆形成，之后采用多腔冲孔法将膜电极冲切下来，从而实现高速连续生产，如下图所示。上述措施大大提高了材料利用率，在膜电极面积相同情况下，质子膜和扩散层使用量降低了40%，提高产量，降低成本。

FCV Clarity膜电极制备