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本田第二代燃料電池膜電極開發(fā)技術(shù)
膜電極通常由中間區(qū)域發(fā)電部分和外圍樹脂邊框組成。本田第二代燃料電池膜電極通過采用合金催化劑、電解質(zhì)膜減薄和通用外圍樹脂邊框，降本顯著。針對耐久性，通過開發(fā)衰減模型，并基于模型實現(xiàn)的操作條件控制中納入材料規(guī)格邊界的考量，成功實現(xiàn)耐久性提升和成本降低的雙重目標(biāo)。本文分享本田第二代燃料電池膜電極的耐久性提升和降本技術(shù)細節(jié)。
圖1 本田第二代燃料電池系統(tǒng)
圖2 本田第二代燃料電池結(jié)構(gòu)
圖3 本田第二代燃料電池膜電極和雙極板
圖4 本田第一代燃料電池3+2雙單元電池結(jié)構(gòu)
上圖4所示為本田第一代燃料電池3+2雙單元電池結(jié)構(gòu)，2片膜電極(本田稱膜電極為UEA，包括中間區(qū)域發(fā)電部分MEA和外圍樹脂邊框)被夾在3個不銹鋼極板間。由于結(jié)構(gòu)限制，外圍樹脂邊框采用注塑成型工藝，厚度需至少250 μm以保證成型性，導(dǎo)致難以通過減薄提升功率密度。下圖5為本田第一代UEA的材料成本構(gòu)成，其中陰極催化劑和電解質(zhì)膜成本占比最高。催化劑Pt和離聚物成本高昂且難以量產(chǎn)，減少用量是降本關(guān)鍵。氣體擴散層成本占比第三，量產(chǎn)后才具有降低成本的可能性。因此研究重點轉(zhuǎn)向成本占比第四的外圍樹脂邊框結(jié)構(gòu)。
圖5 本田第一代UEA成本構(gòu)成
本田第二代燃料電池UEA開發(fā)目標(biāo)為在保持或提升前代輸出性能與耐久性的前提下實現(xiàn)電極催化劑中Pt用量降低、電解質(zhì)膜中離聚物用量減少和外層樹脂邊框結(jié)構(gòu)簡化。此外，UEA的耐久性與Pt和離聚物用量減少呈負相關(guān)，因此需在降本的同時確保耐久性。針對UEA各部分，本田開發(fā)了可定量表征衰減影響與材料老化因素的衰減模型，通過基于模型的操作條件控制確保耐久性。
圖6 本田第二代燃料電池結(jié)構(gòu)
上圖6展示了本田新型燃料電池結(jié)構(gòu)，發(fā)電單元由夾在兩片雙極板間的單個UEA構(gòu)成。其中，BPP為陰陽極板焊接后的雙極板組件，UEA包含矩形區(qū)域的發(fā)電部分MEA和外圍樹脂邊框。下文將闡述提升本田第二代燃料電池UEA耐久性與降本的技術(shù)細節(jié)。
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