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

所以，從日本官網來看，第二代Mirai在WLTC測試標準下續航里程最高為850km，EPA數據顯示其在極端情況下仍可行駛575公里，這使得新豐田Mirai擁有真正的長途駕駛能力。在美國，第二代豐田Mirai的起步價為4.95萬美金（約32萬人民。

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，豐田mirai底盤拆解，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。

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。

就核心結構部件方面，Mirai明顯比油電混合、純電動車都要復雜，整套動力系統以燃料電池堆棧為核心，沒有傳統的汽油發動機、變速器、油箱以及大面積鋰離子電池。發動機艙內部是電動機和電動機的控制單元，車身后橋部分放置了一個。

1.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

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)。

2.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

圖 15 FLD

圖 16 FLD結果

3.提高抗沖擊性

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

新車的大燈采用了分體式設計，細長的結構非常犀利，顯得車頭比較兇狠。豐田的標識依然采用了藍色底色，代表新能源汽車的身份。第二代Mirai基于豐田TNGA后輪驅動平臺打造，車身尺寸為4975/1885/1470mm，軸距2920mm。側面采用了類似。

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

圖 21 本田FCV Clarity燃料電池汽車搭載的燃料電池電堆外觀

4.文獻、技術報告和專利來源

本文相關的圖片和信息均整理自本田發布的技術報告和專利。涉及到的專利有US2012270137A1、US2013196249A1、US2014234742A1、US2012178004A1、US2014248549A1、US2014162163A1、US9941541B2、US2A1、US9548502B2等。

第一代豐田Mirai的動力控制單元放置在驅動馬達上，同樣也放置在發動機艙內部。分析第二代豐田氫燃料電池車Mirai的動力系統，未來不遠了第二代豐田Mirai的長寬分別為4975/1885/1470mm，軸距為2920mm，尺寸明顯比上一代大，高度。

技術報告主要來源于Honda R&D Technical Review。