本田二代新型结构燃料电池电堆采用聚合物膜电池结构，如图1所示，其膜电极组件(MEA)由夹在氢气(阳极)和空气(阴极)电极之间的聚合物电解质膜(PEM)构成。在该结构中，氢气和空气中的氧气被输送至MEA，通过电化学反应将化学能直接转化为电能。
如图2所示，发电电池的结构是将由MEA和周边树脂膜组成的膜电极一体化组件(UEA)夹在两片双极板(BPP)之间，从而形成供应氢气和氧气的流道。已知铁污染以及高温运行导致的PEM干燥等因素会加速MEA中PEM的劣化。通过实施针对这些因素的应对措施，显著提高了耐久性。
本田二代新型结构燃料电池电堆通过优化电堆结构和控制技术，实现了耐久性提升至两倍或以上。具体技术包括：
-
增强质子交换膜(PEM)耐久性：通过精准控制温度和湿度环境。
-
减少铁溶出：改进双极板(BPP)涂层材料。
-
提升冷却性能：优化双极板冷却结构并调整其纵横比。
-
改善隔热性能：增强电堆端部部件的隔热效果，同时采取措施防止辅助设备流道中的水进入。
01 增强质子交换膜耐久性
研究表明，当聚合物电解质燃料电池的质子交换膜(PEM)在高温条件下水分含量不足时，其化学稳定性会显著下降，导致快速分解。因此，维持适宜的膜温度和湿度至关重要。
为实现更低的冷却液温度，采用性能增强型辅助设备对冷却液流量进行精确电控。同时，通过专有模型高精度估算输入空气中水分的传输速率，从而优化辅助设备的控制。这一方案有效抑制了膜的劣化，并确保了最佳湿度的维持。
02 减少铁溶出
聚合物电解质燃料电池的质子交换膜(PEM)在铁污染的情况下容易发生化学劣化，因此需有效减少双极板(BPP)基材中的铁溶出。通过采用全表面覆盖碳和钛涂层的双极板结构，不锈钢基材的暴露被显著抑制，铁溶出量降低至原来的十分之一，同时显著提升了耐腐蚀性能。
03 提升冷却性能
新型结构燃料电池电堆采用了一种结构，将双极板(BPP)和膜电极组件(UEA)依次堆叠。氢气和空气在UEA组件与双极板之间流动，而冷却液则在双极板内部流动，如图 3 所示。
如图4(a)所示，传统结构中，每两片电池共用一次冷却液循环，这导致部分电池无法直接接触冷却液。相比之下，新型结构采用逐片冷却设计，如图4(b)所示，冷却液能够与每片电池直接接触，从而有效减少了电池间的温差。
此外，通过调整电池发电部分的纵横比，使冷却液在电池内部的平面流动更加均匀。结合电池冷却结构的优化与纵横比的调整，如图5所示，有效降低了水平和垂直方向上的平面温差，从而显著提升了冷却性能。
04 改善隔热性能
如果电压不稳定，电极会发生劣化，进而导致耐久性下降。为实现稳定的发电，必须提高电堆端部部件的隔热性能，并防止辅助设备流道中的水进入燃料电池电堆的空气和氢气流道。
在新型结构的燃料电池电堆中，通过增加绝缘体的厚度来增强隔热效果，从而抑制因自然散热导致的电池端部部件温度下降，并减小电池层之间的温差。此外，若外部水分进入膜电极组件(UEA)，可能会导致发电不稳定，从而降低UEA的耐久性。为此，部分绝缘体设计了导水通道，如图6所示。
揭秘本田二代燃料电池堆耐久性提升关键技术
