本田公司通過開發(fā)緊湊且抗沖擊性強(qiáng)的燃料電池雙極板使得電堆置于CLARITY燃料電池汽車引擎蓋(front hood)下方變成可能。通過將上一代電池中下底較寬的梯形截面形狀密封圈改成矩形截面形狀，密封圈的寬度變小，電堆體積減少了約3 L左右。此外，樹脂和密封圈包裹雙極板有助于保持和外界隔離，消除了為防水和保持電堆箱體隔離的附加措施。再者，降低了新一代電堆的零部件數(shù)目，反應(yīng)氣體從歧管到流場的區(qū)域同樣采用密封圈材料，在密封膠成形過程中就將上述區(qū)域制備出來，簡化了流程。通過在雙極板四周采用鋸齒狀樹脂來提高抗沖擊性，應(yīng)對碰撞過程中的偏移和誤差(misalignment)。最后，將薄板沖壓成形工藝(press-forming)、樹脂成型工藝(resin molding)和橡膠成型工藝(rubber molding)集成為一個(gè)工藝，生成成本大大降低，利于產(chǎn)業(yè)化。

One cooling per two cells示意圖

1.降低電堆體積的密封結(jié)構(gòu)

通常，減少密封圈的壓縮率有助于延長密封圈壽命。為了增加密封圈在低壓縮率條件下的密封壓力，密封圈應(yīng)盡可能減少橫向移動(dòng)的趨勢。因此，上一代的梯形密封截面形狀的密封圈改成矩形截面形狀。下圖為有限元仿真中施加同等載荷條件下密封圈的受力情況。從下圖可以看出，雖然新舊兩種截面形狀的密封圈最后得到的seal load相同，但矩形截面形狀的壓縮率較低。

施加載荷下的壓力分布對比

下圖為不同截面形狀在不同壓縮率下的對比情況。通過改變截面形狀，對于設(shè)計(jì)要求的密封壓力，在低壓縮率下也可以實(shí)現(xiàn)。因此，密封壓力不至于降低太快，耐久性提高。

不同壓縮率對比

同時(shí)，與前一代相比，密封寬度也得到降低。對于本田燃料電池電堆，密封圈在長度上約1000 m甚至更長。可以預(yù)估，如果密封圈寬度減低，電堆體積就會(huì)減少。

密封壓力行為對比情況

然而，如果密封圈寬度太少，會(huì)導(dǎo)致薄板和密封圈重復(fù)疊壓，如下圖所示。因此，flat sections were provided at the seal upper surface, producing a shape that is diFFicult for a drop in seal load to arise even with parts in a misaligned stage。 還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)密封圈沒有上下正對形成了錯(cuò)位(錯(cuò)位距離為下圖中Misalignment of parts)，硬金屬薄板也會(huì)在錯(cuò)位區(qū)域產(chǎn)生密封壓力。技術(shù)報(bào)告特別提到：由于沒有正對造成錯(cuò)位的區(qū)域被視為密封寬度，真實(shí)的密封寬度比密封圈正對區(qū)域?qū)挾纫獙挕Ｓ捎谏鲜鲂?yīng)，密封圈寬度可以進(jìn)一步減少。

密封截面

2.降低零件數(shù)的防觸電coating結(jié)構(gòu)

燃料電池電堆由數(shù)片單電池串聯(lián)形成。物理學(xué)告訴我們，串聯(lián)電路中電壓為積累效應(yīng)。高壓燃料電池電堆的金屬雙極板必須與外界進(jìn)行隔離以防觸電。通常，雙極板被設(shè)計(jì)放在一個(gè)防水和防導(dǎo)電的箱體內(nèi)，并非采用隔離措施設(shè)計(jì)單獨(dú)的雙極板。本田在密封圈成型過程將雙極板進(jìn)行導(dǎo)電隔離表面處理，同時(shí)在金屬雙極板外圍附上橡膠。下圖表示雙極板的外圍導(dǎo)電隔離結(jié)構(gòu)，樹脂包裹金屬板，橡膠(即密封圈)覆蓋樹脂。本田通過上述結(jié)構(gòu)提高導(dǎo)電隔離效果。

Electrical insulation 結(jié)構(gòu)

3.使用密封圈流場結(jié)構(gòu)件簡化工藝

盡管一個(gè)雙極板就有有進(jìn)出口來給電化學(xué)反應(yīng)提供氣體，但通常需要給雙極板粘貼或附上不同形狀的金屬或者樹脂部件。然而夾緊不同形狀的金屬或者樹脂部件工藝提高了電池成本。因此橡膠也用來成形氣體進(jìn)出口區(qū)域(rubber was used in forming the fluid inlet and outlet)。如下圖所示，通過橋墩結(jié)構(gòu)(bridge pier structure)，反應(yīng)氣體進(jìn)出口與隔開陰陽極反應(yīng)氣體的密封圈相交。

氣體進(jìn)出口結(jié)構(gòu)

下面將介紹使用肋(rib)結(jié)構(gòu)來防止部分反應(yīng)氣體在部件之間竄動(dòng)的原理。如下圖所示，當(dāng)在沖壓成型的金屬雙極板上對密封圈進(jìn)行澆鑄(mold)成形時(shí)，模具正壓金屬板，需要一個(gè)模具壓緊機(jī)械裝置(下圖中的mold presser)防止橡膠材料外流(成形過程中橡膠材料被擠出來)。金屬和模具緊密接觸，橡膠成型過程中可能產(chǎn)生孔隙。當(dāng)不參與電化學(xué)反應(yīng)的氣體進(jìn)入上述孔隙中，電化學(xué)反應(yīng)效率降低。為了解決這個(gè)問題，密封圈中加入圖中所示的肋。

Rubber rib to reduce shortcut gas

僅僅通過上下兩個(gè)模具來進(jìn)行密封圈形狀塑造仍有欠缺。由于存在沖壓部件，一個(gè)滑動(dòng)模具(下圖中的slide mold)在肋成型過程中定位不夠精確。因此，本田在研究了肋的角度后，建立了一個(gè)簡易的molded shape來通過無損耗的two-way extraction方法使橡膠可以移動(dòng)，該方法不需要使用滑動(dòng)模具，稱其為“forced extraction”。(英文：Uneven shapes from which moleded shapes cannot be removed simply by splitting the mold in two are generally called "undercut" as illustrated by the slide mold shown in below figure in which the mold is split. However, a slide mold cannot be situated near rib forming since there exits press-formed parts. In this development, the angle of the rib was studied and an easily moled shape was established to enable rubber to be removed by two-way extraction mold without being damaged and without the use of a slide mold, by a method called "forced extraction")。

Rubber undercut shape

4.提高抗沖擊性且減少誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了將燃料電池電堆置于引擎蓋下方，由于碰撞發(fā)生時(shí)對電堆的沖擊力加大，抗沖擊性應(yīng)該提高。碰撞發(fā)生時(shí)，施加在層疊結(jié)構(gòu)的電堆雙極板上的沖擊力會(huì)引起電堆相關(guān)部件的偏移和誤差。因此，配置連接燃料電池電堆左右端蓋的連接桿很有必要，并且電池上的凸起部位與連接桿的凹部相嚙合。金屬雙極板四周有鋸齒狀的結(jié)構(gòu)，由于鋸齒狀的結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度的樹脂注壓在雙極板上形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，連接桿和雙極板之間的高壓雙極板導(dǎo)電隔離從而可以保證。

高抗沖擊性流場板

5.文獻(xiàn)、技術(shù)報(bào)告和專利來源

本文相關(guān)的圖片和信息均整理自本田發(fā)布的技術(shù)報(bào)告。技術(shù)報(bào)告主要來源于Honda R&D Technical Review。