密封、涂層和成形三類工藝在車用燃料電池極板成本中占比最高。實現(xiàn)性能和成本的雙重突破，通常需要通過材料、結構和結構的協(xié)同創(chuàng)新。本文分享本田第二代燃料電池金屬極板開發(fā)技術。

本田第二燃料電池極板結構

01技術背景

圖1 本田第二燃料電池結構

車用燃料電池極板的主要功能有輸運氣體、傳導熱量、密封氣液和導通電子的功能。在燃料電池極板的成本組成中，密封、涂層和沖壓三種工藝占比過高。在密封方面，本田第一代燃料電池極板采用注塑成型的多層橡膠密封件，生產周期長，量產第二代燃料電池極板氣腔密封工藝全球創(chuàng)新使用薄板沖壓成型過程形成的金屬凸起(metal bead)密封，冷卻腔采用陰陽極板焊接密封，取消了不利于大規(guī)模量產的橡膠工藝。在涂層方面，本田第一代金屬極板采用昂貴的鍍金涂層，成本較高，第二代金屬極板轉而采用價格低廉的含有鈦中間層的碳涂層工藝，并取消極板外圍起絕緣作用的橡膠件，如下圖2所示。在沖壓工藝方面，本田第二代金屬基材基于兩步沖壓工藝降低流場翹曲變形量，顯著增強了電堆接觸壓力均勻性。

圖2 本田量產第一代和第二代燃料電池極板結構

02金屬凸起密封和焊接密封

圖3 本田新一代燃料電池金屬密封結構

金屬凸起密封結構由沖壓成型工藝中形成的的金屬凸起與微型橡膠密封件組成，如上圖3所示。通過組裝壓縮的反作用力實現(xiàn)密封，冷卻流道則通過陰極板和陽極板焊接實現(xiàn)密封。

圖4 本田新一代燃料電池金屬密封結構

在利用金屬彈性的金屬凸起密封結構中，若金屬凸起承受高負載，可能因塑性變形導致無法達到密封線壓力，從而引發(fā)氣體或冷卻液泄漏。密封線壓力定義為密封部件產生的載荷除以密封線長度。當燃料電池車輛在行駛中發(fā)生振動，車輛振動會傳遞至電堆，使金屬極板密封部位承受高負載。為此，本田量產第二代燃料電池設計了一種在此類情況下維持密封功能所需密封線壓力的金屬凸起形狀，如上圖4所示。此外，燃料電池車輛碰撞減速時會產生內部載荷，因此在極板外圍也設計了可承受該載荷的支撐結構(stopper)，以抑制金屬凸起的塑性變形。

圖5 金屬凸起寬度和線載荷特性

金屬凸起密封結構的壓縮載荷特性隨金屬凸起截面形狀和密封線平面布局走向的不同而變化。如上圖5所示，通過調整金屬凸起截面形狀(如凸起寬度)可改變壓縮載荷特性。同時，密封線的平面半徑和角度設置也可調整壓縮載荷特性，如下圖6所示。利用上述特性，本田第二代最終實現(xiàn)了面內特性的均勻設計，有效防止因局部密封線壓力下降導致的泄漏。

圖6 金屬凸起密封線平面半徑和角度設置

如果沖壓過程中流場區(qū)域的翹曲量增加，將導致接觸壓力不均勻并增加活性區(qū)域的接觸電阻，需采取措施改善翹曲問題。同時，為確保車輛碰撞等極端工況下的密封性能，需提升金屬凸起密封結構的壓縮載荷特性。流場區(qū)域翹曲的原因是垂直于流道方向上的流道沖壓區(qū)域內側長度大于外側，該差異由流場沖壓后的材料回彈引起，如下圖7所示。對此，將流道沖壓工藝分為兩步，采用雙步沖壓流道結構—首次沖壓(1Hit)產生的回彈通過在第二階段(2Hit)彎曲脊線來吸收，如下圖8所示。

圖7 沖壓回彈現(xiàn)象

圖8 單步和雙步沖壓成型工藝對比

通過使用富士壓敏紙檢測活性區(qū)域接觸壓力發(fā)現(xiàn)，該工藝有助于降低接觸壓力差異，如下圖9所示。如下圖10所示，采用兩步沖壓工藝的流道區(qū)域翹曲量明顯低于單步沖壓工藝。

圖9 單步和雙步沖壓成型工藝對比

圖10 單步成型和雙步成型的流道翹曲

為進一步增強金屬凸起密封結構強度，在流道沖壓同一工序中對金屬凸起密封結構也引入兩步成型工藝，并對基材進行加工硬化處理。如下圖11所示，通過在首次沖壓過程中對金屬凸起密封結構中心區(qū)域施加加工硬化，并在二次沖壓中完成最終金屬凸起密封形狀。如下圖12所示，該措施顯著提升了金屬凸起密封結構的壓縮載荷特性。

圖11 單步成型和雙步成型的流道翹曲

圖12 金屬凸起密封結構載荷特性

本田第二代燃料電池中采用了在金屬凸起設置微型密封件的結構。這種設計能夠緩解因壓縮形變導致的密封線壓力下降，從而維持密封功能，如下圖13所示。然而，由于微型密封件厚度較薄，若制造過程中異物污染密封部位，密封性能將面臨挑戰(zhàn)。雖然通過潔凈生產環(huán)境可減少異物污染，但這會顯著增加制造成本。因此，從異物和制造環(huán)境下污染仍能維持密封功能出發(fā)，最終通過下圖14設定了微型密封件的最佳厚度與寬度。

圖13 金屬凸起密封結構載荷特性

圖14 微型密封件設定原則

在陰陽極板的接合界面中，采用如圖5所示的焊接結構對冷卻液進行密封。焊接寬度定義為熔合長度-FL，如下圖15所示。通過精確設定FL確保焊接接頭在承受氣體與冷卻液工作壓力時仍能維持足夠的結合強度。

圖15 焊接熔合長度FL

圖16 熔合長度FL和焊接融拉伸強度

通常通過增加焊接熱輸入以擴大接頭寬度來提升結合強度，但過高的熱輸入可能導致BPP翹曲，從而影響密封一致性。因此，焊接熱輸入條件需控制在滿足BPP翹曲量要求的范圍內，如下圖17所示。此外，不銹鋼焊接過程中可能發(fā)生敏化現(xiàn)象(Sensitization)，敏化會引發(fā)應力開裂，導致密封功能失效。為此，焊接條件的設定需盡可能降低敏化風險。

圖17 焊接熱輸入和和翹曲關系

圖18 流道表面涂層裂紋

在本田第一代燃料電池極板中，不銹鋼基材表面采用金涂層(海島結構鍍金工藝)，在暴露區(qū)域形成鈍化膜以兼顧導電性與耐腐蝕性。但在高溫高濕酸性腐蝕環(huán)境中，暴露區(qū)域鈍化膜受損會導致鐵離子溶出，從而降低離子交換膜耐久性 。因此，需提升不銹鋼基材的耐腐蝕性能。

本田新型極板通過在不銹鋼基材上涂覆石墨化碳(GLC)層與鈦(Ti)中間層，在抑制基材暴露的同時實現(xiàn)導電與耐腐蝕雙重提升。該涂層方案成本顯著低于傳統(tǒng)鍍金工藝。GLC(石墨化碳)與Ti層采用直接對基材連續(xù)涂覆即預涂工藝，無需沖壓后分批處理，生產效率大幅提高。實驗表明，即使在高溫高濕酸性環(huán)境中，GLC+Ti涂層的鐵離子溶出量僅為不銹鋼基材的1/30。

圖19 極板鐵離子析出

如上圖18所示，采用先表面處理后沖壓的工藝，沖壓過程中基材延展會導致GLC(石墨化碳)層與Ti層開裂，模具摩擦更會造成劃痕，最終暴露不銹鋼基材。研究表明，極板鐵離子溶出量與其不銹鋼暴露程度直接相關。為此，本田第二代新型極板在設計流道截面形狀時，通過精確計算沖壓基材延展量優(yōu)化結構，最大限度抑制基材暴露。如上圖19所示，該設計使沖壓后不銹鋼暴露比例大幅降低，鐵離子溶出量僅為傳統(tǒng)極板的1/10，同時涂層工藝成本降低約30%。

本田上一代極板通過外圍橡膠件實現(xiàn)絕緣，而新型極板結構依據IEC60664-1標準為電池單元設定了爬電距離與電氣間隙，如下圖20所示。此外，采用無外圍橡膠件的設計，省去了絕緣檢測工序。相比前代型號，該設計使單電池單元橡膠用量減少6%，樹脂用量減少54%。同時，樹脂注塑與絕緣檢測工序也得到簡化。

圖20 爬電距離和電氣間隙布局

下圖21展示了本田第一代和第二代燃料電池極板結構的工藝流程對比。上一代工藝需在沖壓后進行獨立的表面處理，而新型結構采用不銹鋼基材預涂GLC(石墨化碳)直接沖壓成型方法，既縮短了工序時間又提升了生產節(jié)拍。

圖21 本田兩代燃料電池極板工藝

下圖22詳細展示了金屬凸起密封結構與流道區(qū)域的沖壓流程。采用前文所述的雙步沖壓工藝，并通過全自動化激光雕刻與檢測流程實現(xiàn)質量控制。通過全自動化工序，新型極板的生產周期縮短至上一代的1/20。

圖22 本田第二代燃料電池極板連續(xù)生產工藝

通過提升生產效率并優(yōu)化材料與功能設計，成功開發(fā)了一種同時實現(xiàn)密封功能、耐腐蝕性能及成本降低的新型極板結構。具體成果如下：

(1)金屬凸起采用均勻面內壓縮載荷特性的截面形狀與平面布局設計，并增設碰撞載荷承載結構以增強密封性能。結合金屬凸起與微型密封件結構，緩解密封線壓力下降問題，確保密封功能。優(yōu)化焊接的工藝條件以兼顧抑制極板翹曲和避免不銹鋼敏化，同時保證焊接強度。

(2)采用雙步沖壓模具結構抑制回彈，降低流道區(qū)域翹曲。同時，對金屬凸起密封結構實施雙步沖壓并引入加工硬化工藝，顯著提升其壓縮載荷特性。

(3)通過預涂GLC(石墨化碳)的卷材沖壓，配合流道形狀優(yōu)化設計，將鐵離子溶出量降至傳統(tǒng)結構的1/10。

(4)采用GLC預涂卷材直接沖壓，縮短工序時間并提升了生產節(jié)拍?；贗EC60664-1標準設定電池單元的爬電距離與電氣間隙，取消外圍橡膠件，減少橡膠用量6%、樹脂用量54%，并簡化檢測流程。