摘要：流場板起著導氣、導電、導熱、支撐等全部功能，本田Clarity燃料電池堆就是其中之一。本文將從流場結構和電堆結構角度對本田Clarity搭載的燃料電池電堆進行深度解析。
作為全球最早研發燃料電池的汽車生產商之一，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工作，并自1999年開始進行燃料電池車用實驗工作。目前，本田公司旗下最新燃料電池汽車FCV Clarity所搭載的電堆體積功率密度約為3.1 kW/L左右，達到全球領先水平。車用燃料電池對電堆的體積功率密度和質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，重量占據電堆質量的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”是個趨勢，即流場板起著導氣、導電、導熱、支撐等全部功能，本田Clarity燃料電池堆就是其中之一。
本文將從流場結構和電堆結構角度對本田Clarity搭載的燃料電池電堆進行深度解析。
豐田Mirai
現代 ix35
本田FCV Clarity
圖 1 豐田、現代和本田燃料電池汽車動力系統布置形式對比
本田FCV Clarity燃料電池汽車的動力系統布置形式和現代ix35燃料電池汽車相似，高度集成化的燃料電池動力系統置于引擎蓋下方。燃料電池動力系統的集成化依賴于每個零部件的高效工作，最大輸出功率103 kW的燃料電池電堆和兩級增壓空壓機、加濕器和驅動電機等附件在動力控制單元的系統控制下完成協同工作。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需要高體積功率密度和高質量功率密度的燃料電池電堆。因此，電池的結構設計對于電堆的高性能輸出至關重要。
圖 2 本田燃料電池汽車搭載電堆的進化情況
流場設計關乎到反應氣體能否及時、高效、均勻的輸送到電化學的反應場所-催化層三相界面。此外，流場設計的優良和燃料電池的水管理能力相關，比如目前電池的脊(英文rib或land)越來越窄化，以此來優化脊下水淹現象和強化氣體傳質效果。流場結構或者電池結構的合理設計和布局關系到電堆結構的緊湊性、密封性和輸出性能。
一、電堆輕質和緊湊
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。根據公式有氣體流道的深度=液態水Adhesion force/液態水Drainage force。當氫氣和空氣流道變淺或變薄時，產物水在氣體流道中的附著力大大增加，導致水在流道中積聚和無法排出，因此氣體傳質受阻，性能下降。陰陽極氣體進入電池平面內主要有三種形式，即順流、逆流和交叉流。在本田公司2006版燃料電池結構中，陰陽極氣體均為自上向下的順流(利用重力)，稱之為V-Flow結構。重力存在有益于液體水的排出，采用V-Flow結構設計的電池，氣體流道的厚度降低了17 %。
圖3 本田2006版燃料電池V-Flow 結構原理
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方式，2塊MEA與3塊隔板構成一個電池單元，組成獨特的冷卻結構。如圖7和圖9所示，由于FCV Clarity燃料電池雙極板結合形式為“三合一”，需要設計一段特殊的機構---進氣歧管到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，進一步降低了電池厚度。該種方法使得產物水無法凝結成液態水，極大降低甚至壁面了水在流道中的附著積聚。根據本田的公開資料顯示，即使在低負荷(堵水易發生在低負荷和高負荷情況下)下，drainage force也會消失。
圖 4 本田2006版燃料電池V-Flow 結構流場形式
圖 5 Clarity燃料電池"One cooling layer per two cells"結構
圖 6 Clarity燃料電池"One cooling layer per two cells"半實物圖
圖 7 本田專利中的“One cooling layer per two cells”結構示意圖
圖 8 本田專利中電池平面布局
得益于Clarity燃料電池的流場結構，濕潤的空氣給進口端帶來了充足的水分，產物水向陰極出口方向移動，期間把水分帶給MEA；然后水分穿過MEA反擴散至陽極側，濕潤陽極側入口處；陰陽極側均有水分的循環管理能力(比如陽極側的引射器和陰極側的加濕器等)。通過上述方案使得在發生電化學反應的MEA表面水分得以循環、均勻分布
圖 9 MEA中的擴散行為
圖 10 氣體從歧管至流道的均勻分布
由于本田Clarity燃料電池金屬材質流場板的特殊結構和沖壓成型工藝，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流場板上形成。為了得到上述流場板，在MEA的外部設計了從進氣歧管到MEA表面的樹脂結構。該樹脂結構可以使得陰陽極氣體在一張流場板的兩側分別傳質(感興趣的小伙伴可以一起討論)。
二、雙極板力學設計
對于本田最新流場板，厚度降低的同時，也會帶來材料的破壞現象，如圖14所示，尤其對于車用中復雜顛簸工況。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，還受反應氣體壓力、冷卻水壓力和MEA材料的膨脹(或縮水)耦合效應。因此，必須對雙極板的力學性能和設計參數進行研究。雙極板的設計參數有Channel pitch、Flat length、Angle、Corner R和Channel depth，如圖11所示。
圖 11 流場板(雙極板)設計參數
圖 12 本田專利中燃料電池電堆結構截面圖
圖 13 雙極板受力分析
圖 14 流場板破壞現象
本田汽車公司對于車用燃料電池金屬雙極板的結構設計開發了一種力學設計方法。該方法聚焦不銹鋼的工作硬化特性，基于金屬材料的力學特性，定義了金屬隨應變值變化的變形行為。通過使用FLD(forming limit diagram)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獲取局部應變值。除此之外，通過micro Vickers硬度實驗計算的局部應變值獲得燃料電池運行中的機械應力。
圖 15 FLD
圖 16 FLD結果
三、提高抗沖擊性
本田燃料電池動力系統置于前車蓋下方，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，開發出以下結構：配置有連接燃料電池電堆兩端的連接桿(Connnection rod)，并且電堆上設置有凸起與連接桿的凹部相嚙合。本田報告顯示，上述設計將抗沖擊性提高到原有的4倍。該結構可以有效避免沖擊時的電池偏移，防止氫氣從堆內泄露，保護氫氣安全。
圖 17 本田最新電堆的Resin-framed MEA結構
圖 18 電池的resin和密封膠結構
圖 19 Resin結構示意圖
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構設計和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出的功率也增加到1.5倍，電堆體積功率密度達到全球領先級別-3.1 kW/L。電堆的輸出性能(發電性能)和其低溫啟動能力嚴格正相關。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，低溫下啟動后，到達50 %輸出功率的時間縮短了一半。
圖 20電流密度
圖 21 本田FCV Clarity燃料電池汽車搭載的燃料電池電堆外觀
四、輕盈和緊湊設計
為了使燃料電池更加輕盈和緊湊，本田降低了電池厚度和片數，燃料電池電堆體積功率密度達到3.1 kW/L。通過實現膜電極水分布均勻化、降低氣體流道深度和膜電極厚度，實現降低電池厚度；通過降低同片電池相鄰氣體流道之間的間距提高輸出性能來減少電池片數。與前一代V-Flow結構電堆相比，體積功率密度提高60%，質量功率密度提高35%。同時，新一代電堆的低溫啟動性能也得到提高，MEA生產效率進步，抗沖擊性較強。
圖22降低電池片數
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方式，2塊MEA與3塊隔板構成一個電池單元，組成獨特的冷卻結構。為了實現緊湊，氣體流向呈現水平狀態，降低了電堆的高度。緊湊型和抗沖擊性良好使得將燃料電池動力系統置于引擎蓋下方變成可能。降低MEA歐姆阻抗和熱容使得燃料電池電堆在低溫環境下啟動至50%額定功率用時減少一半(與前一代燃料電池電堆相比)。本公眾號“燃料電池干貨”上一篇推送中提到本田燃料電池結構設計中“Resin frame”的存在，因此，通過將MEA做成方形、發電區域做成resin frame結構，不僅可以提高MEA的生產效率，還降低了40%的高成本材料使用。
圖23降低電池厚度
