耐久性通常指产品能够无故障的使用较长时间或使用寿命长。目前，燃料电池的使用寿命多以10%的电压或额定功率衰减作为评价标准。相比上一代FCV Clarity技术，本田新一代燃料电池的耐久性提升2倍以上。本文分享本田量产化的第二代燃料电池堆耐久性提升方法。
图1 本田全新一代燃料电池系统进步
本田新一代燃料电池堆通过电堆材料、结构和控制策略优化并应用以下技术实现了两倍或更高的耐用性，即增强电堆端板隔热性能，防止水从系统BOP进入电芯；通过温湿度控制增强质子膜耐用性；通过改变双极板冷却结构和长宽比提高冷却性能；通过更换双极板涂层减少铁溶解腐蚀。以下将对本田新一代燃料电池堆的四项耐久性提升方法进行详细分享。
文章链接→揭秘本田第二代燃料电池结构（一）
文章链接→揭秘本田第二代燃料电池结构（二）
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01
增强电堆端板隔热性能，防止水进入电芯
如果工作电压不稳定，电极则会衰减，耐用性下降。为了实现稳定发电，有必要为电堆边缘的终端部件提供隔热性能，并防止水从系统BOP进入电堆的空气和氢气腔体。在本田新一代的燃料电池堆中，通过提高隔热板厚度来增强隔热效果，抑制由于电堆终端部件自然散热引起的温度下降，并减少电池间的温度变化。
此外，如果有来自UEA外部的水，发电可能会变得不稳定，这是导致膜电极耐久性降低的重要因素。如下图2所示，本田在新一代燃料电池堆中的隔热板区域制作了一个导水通道，有效实现水气分离，使液态水不进入膜电极。
图2 本田新一代燃料电池堆端部结构
02
通过温湿度控制增强质子膜耐用性
众所周知，碳腐蚀速率、Pt溶解和团聚(sintering)速率都随温度升高而增加。允许氢质子通过并到达阴极侧的电解质膜具有湿度增加则质子传导性能更优的特点。当聚合物燃料电池的质子膜在高温条件下含水量不足时，膜的化学稳定性会下降，导致快速分解。同时，如果水滞留在发电表面，则会缩小空气流动截面降低发电效率。因此，有必要保持适当的膜温度和湿度。
图2 通过电子节温器进行主动温度调节提升加湿量
本田新一代燃料电池系统使用专有的基于模型估计方法估算进堆的环境空气水蒸气量，并基于模型使用电子节温器和高效加湿器实现最佳湿度控制。这项技术能够实现更精确的控制，即降低电堆温度以增加湿度，提高温度以降低湿度。对湿度和温度的精确控制使系统能够稳定发电。与前一代相比，新一代燃料电池增加了加湿量来防止电池劣化，从而有助于进一步提高耐用性。(【燃料电池干货】平台后续将详细分享本田该一维加湿器模型)
图3 使用模型估算进堆空气含水量
03
改变双极板冷却结构和长宽比加快冷却
本田新一代燃料电池使用了双极板和膜电极的连续层叠结构(或称为双极板/膜电极分离结构)，并在膜电极和双极板之间流动氢气和空气，双极板内流动冷却剂(两板三腔结构)，如下图4所示。
图4 本田第二代燃料电池结构
在前一代的燃料电池结构中，每隔两个发电电池流动冷却剂，这意味着一些电池没有接触到冷却剂。新一代结构对每个发电单元进行冷却(cell-by-cell)，冷却剂与每个单元直接接触，如下图5所示。相比前一代，新一代的结构实现了电池间较小的温差，提高了冷却性能，如下图6所示。
图5 本田第二代燃料电池双极板结构
图6 本田第一代和第二代燃料电池结构散热对比
此外，新一代电池改变了发电部分即活性区的长宽比，使电池内的冷却剂更容易实现均匀的面内流动。如下图7所示，电池冷却结构和电池特性的变化也减小了水平和垂直方向的面内温差，提高了冷却性能。
图7 改变长宽比的影响
04
更换双极板涂层减少铁溶解腐蚀
当被铁污染时，聚合物燃料电池的质子膜会发生化学衰减，因此需要抑制双极板溶解析出铁离子。本田新一代燃料电池双极板使用碳和钛的全表面涂层，抑制不锈钢基底材料的暴露，实现了仅前一代1/10的铁溶解析出速率并提高耐腐蚀性。
