除降本外，減薄電解質(zhì)膜可增加質(zhì)子傳導(dǎo)率促進(jìn)性能提升，并促進(jìn)陰極至陽極的水遷移，確保質(zhì)子膜保水性并抑制發(fā)電單元內(nèi)水淹。但質(zhì)子膜減薄會增加氣體跨膜滲透量，降低燃料經(jīng)濟(jì)性。本田經(jīng)綜合考慮發(fā)電性能與燃料消耗影響后，通過應(yīng)對化學(xué)/機(jī)械衰減及新型MEA涂覆工藝，將電解質(zhì)膜厚度減至上一代的3/5。

圖11 質(zhì)子膜化學(xué)衰減機(jī)理

電解質(zhì)膜存在化學(xué)與機(jī)械衰減。上圖11顯示了電解質(zhì)膜的化學(xué)衰減機(jī)制：發(fā)電副產(chǎn)物H?O?與Fe離子等反應(yīng)生成OH自由基，攻擊質(zhì)子膜主鏈末端引發(fā)“解鏈反應(yīng)”，導(dǎo)致主鏈斷裂與分子量下降。主鏈斷裂則會增加末端基團(tuán)數(shù)量，加速劣化。此外，高溫與低濕環(huán)境會加劇衰減。質(zhì)子膜減薄導(dǎo)致的陰極側(cè)氧氣滲透增加亦可能加速H?O?生成和衰減。

和電極衰減類似，本田在單電池中通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計確認(rèn)了溫度、濕度、電流密度、氧分壓的影響，并建立了電解質(zhì)膜的化學(xué)衰減模型，如以下公式2所示。公式2表示了化學(xué)衰減的應(yīng)力量，公式3表示應(yīng)力量與分子質(zhì)量保持率的關(guān)系。與電極類似，研究人員開發(fā)了針對耐久性的衰減模型，通過調(diào)控操作條件以確保其實(shí)現(xiàn)耐久目標(biāo)。

質(zhì)子膜化學(xué)衰減模型公式

如公式2所示，該衰減模型由溫度、濕度、電流密度和氧氣分壓構(gòu)成。特別是，低濕度會顯著加速質(zhì)子膜的全面劣化，因此通過控制操作條件，使輸入電堆的氣體濕度維持在一定閾值以上以確保耐久性。下圖12對比了本田基于燃料電池系統(tǒng)耐久測試運(yùn)行歷史的電解質(zhì)膜分子質(zhì)量保留率預(yù)測值與實(shí)測值。實(shí)測值的范圍反映了因電堆中不同節(jié)數(shù)位置及電池平面內(nèi)不同測量點(diǎn)導(dǎo)致的數(shù)值波動。結(jié)果表明，實(shí)際衰減程度較預(yù)測值更為嚴(yán)重。盡管必要的耐久性仍得以維持，但這一差異源于Fe污染引起的加速衰減。已證實(shí)，若將耐久性運(yùn)行測試中混入Fe的最大量所導(dǎo)致的衰減加速納入考量，預(yù)測值幾乎與實(shí)測值的下限吻合。

圖12 本田第二代燃料電池系統(tǒng)耐久運(yùn)行中質(zhì)子膜衰減預(yù)測值和實(shí)測值對比

電解質(zhì)膜的機(jī)械衰減由濕度變化引起的膜反復(fù)膨脹與收縮所致，而電極裂紋進(jìn)一步加速了這一過程。本田通過優(yōu)化漿料成分及漿料表面特性的質(zhì)量控制，有效抑制了電極裂紋的產(chǎn)生頻率。此外，使用高強(qiáng)度膜增強(qiáng)材料提升了電解質(zhì)膜的韌性，抑制了裂紋產(chǎn)生。

除降本外，為簡化UEA外圍樹脂邊框結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度，本田對分配區(qū)流道結(jié)構(gòu)與活性區(qū)進(jìn)行集成，統(tǒng)一在雙極板中，從而無需像本田第一代在UEA的樹脂邊框中設(shè)置流道結(jié)構(gòu)。在新型UEA中，外層結(jié)構(gòu)通過改用沖裁工藝的通用樹脂邊框?qū)崿F(xiàn)簡化。由于采用樹脂邊框，UEA結(jié)構(gòu)由線性膨脹系數(shù)與不銹鋼極板相近的通用樹脂邊框疊層構(gòu)成，如上圖6所示。此前，外層結(jié)構(gòu)采用精密注塑成型工藝，需使用昂貴的工程塑料。受注塑成型特性的限制，其厚度需至少達(dá)到250 μm，而通用樹脂邊框的引入使厚度減少50%以上，從而提升了體積功率密度，同時單片成本較第一代降低一半。

圖13 本田第二代應(yīng)力和間隔距離關(guān)系

如上圖3所示，樹脂邊框被夾在雙極板之間。發(fā)電時，由于陰極與陽極氣體的壓力差，樹脂邊框可能產(chǎn)生應(yīng)力。為此，本田通過設(shè)定雙極板對樹脂邊框的固定間隔距離以緩解應(yīng)力。此外，燃料電池在發(fā)電過程中會產(chǎn)生水，水解作用會導(dǎo)致化學(xué)降解。因此，在設(shè)計樹脂邊框結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度時，不僅需考慮陰陽極氣壓差的影響，還需計入化學(xué)降解引起的邊框強(qiáng)度下降。針對陰陽極氣壓差，本田進(jìn)行了有限元方法仿真分析。上圖13展示了應(yīng)力與雙極板固定間隔距離的關(guān)系。通過調(diào)控雙極板間的約束距離，有效抑制了應(yīng)力。最終，樹脂邊框的強(qiáng)度耐久性達(dá)到設(shè)計要求。

與上一代相比，本田第二代燃料電池UEA在保持前代燃料電池堆輸出性能的同時，耐久性提升兩倍以上，成本僅為其三分之一。具體改進(jìn)包括：

1.Pt用量大幅減少：通過采用可抑制衰減的Pt合金催化劑、多孔碳載體及低負(fù)載率設(shè)計，電極中Pt的用量降至前代UEA的1/5。

2.電解質(zhì)膜厚度優(yōu)化：通過應(yīng)對化學(xué)與機(jī)械衰減問題，并采用專有涂覆工藝，電解質(zhì)膜厚度減至上一代的3/5。

3.外層樹脂邊框結(jié)構(gòu)簡化：通過精簡外層樹脂邊框結(jié)構(gòu)，采用厚度減半的樹脂邊框，進(jìn)一步降低材料用量與成本。