燃料電池電堆結(jié)構(gòu)詳解

來源：鑫臺銘時間：2021-06-11 14:04瀏覽次數(shù)：- | 分享加入收藏

燃料電池電堆由多個燃料電池單體以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。雙極板與膜電極MEA交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。燃料電池電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場所，為燃料電池系統(tǒng)（或燃料電池發(fā)動機）核心部分。電堆工作時，氫氣和氧氣分別經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學(xué)反應(yīng)。

1、燃料電池單池：

燃料電池單池包括七層結(jié)構(gòu)，最中間一層為質(zhì)子交換膜（又稱電解質(zhì)膜），然后兩側(cè)對稱地依次為陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散層和陰/陽極雙極板。

2、電堆堆棧結(jié)構(gòu)：

對于燃料電池來說，由一組電極和電解質(zhì)板構(gòu)成的燃料電池單池輸出電壓較低，電流密度較小，為獲得高的電壓和功率，通常將多個單電池串聯(lián)，構(gòu)成電堆堆棧。相鄰單電池間用雙極板隔開，雙極板用來串聯(lián)前后單電池和提供單電池的氣體流路。這種堆棧結(jié)構(gòu)就是燃料電池系統(tǒng)的核心，也是燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)。

燃料電池電堆堆棧主要由端板、絕緣板、集流板、雙極板、膜電極、緊固件、密封圈這七個部分組成：

端板：端板的主要作用是控制接觸壓力，因此足夠的強度與剛度是端板最重要的特性。足夠的強度可以保證在封裝力作用下端板不發(fā)生破壞，足夠的剛度則可以使得端板變形更加合理，從而均勻地傳遞封裝載荷到密封層和MEA上。

絕緣板：絕緣板對燃料電池功率輸出無貢獻，僅對集流板和后端板電隔離。為了提高功率密度，要求在保證絕緣距離(或絕緣電阻)前提下最大化減少絕緣板厚度及重量。但減少絕緣板厚度存在制造過程產(chǎn)生針孔的風(fēng)險，并且可能引入其他導(dǎo)電材料，引起絕緣性能降低。

集流板：集流板是將燃料電池的電能輸送到外部負(fù)載的關(guān)鍵部分?？紤]到燃料電池的輸出電流較大，都采用導(dǎo)電率較高的金屬材料制成的金屬板(如銅板、鎳板或鍍金的金屬板)作為燃料電池的集流板。<

雙極板：燃料電池雙極板（Bipolar Plate，BP）又叫流場板，是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。

膜電極：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心組件就是膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由質(zhì)子交換膜、催化層與氣體擴散層三個部分組成所謂的“三合一結(jié)構(gòu)”。PEMFC的性能由MEA決定，而MEA的性能主要由質(zhì)子交換膜性能、擴散層結(jié)構(gòu)、催化層材料和性能、MEA本身的制備工藝所決定。

緊固件：緊固件的作用主要是維持電堆各組件之間的接觸壓力，為了維持接觸壓力的穩(wěn)定以及補償密封圈的壓縮永久變形，端板與絕緣板之間還可以添加彈性元件。

密封圈：燃料電池用密封圈主要作用就是保證電堆內(nèi)部的氣體和液體正常、安全地流動，需要滿足以下的要求：

（1）較高的氣體阻隔性：保證對氫氣和氧氣的密封；

（2）低透濕性：保證高分子薄膜在水蒸氣飽和狀態(tài)下工作；

（3）耐濕性：保證高分子薄膜工作時形成飽和水蒸氣；

（4）環(huán)境耐熱性：適應(yīng)高分子薄膜工作的工作環(huán)境；

（5）環(huán)境絕緣性：防止單體電池間電氣短路；

（6）橡膠彈性體：吸收振動和沖擊；

（7）耐冷卻液：保證低離子析出率。

3、電堆組裝：

鑫臺銘電堆組裝機最基本的功能是向電堆施加夾緊力。除此之外，電堆組裝機還有方便裝配的校準(zhǔn)桿、方便均勻施加夾緊力的壓縮塊、底座以及一些氣密性檢測設(shè)備等。鑫臺銘氫燃料電池電堆壓裝機是專門為氫燃料電池電堆組裝設(shè)計的專用設(shè)備，結(jié)合氫燃料電池的安裝工藝，使用專門設(shè)計工裝，機體旋轉(zhuǎn)后，依靠重力自動定位雙極板和膜電極，極大地方便安裝，節(jié)約疊片對正的時間。

1）將雙極板、膜電極（此處為碳紙-CCM-碳紙）、雙極板按順序依次疊加在已安裝好絕緣板、集流板的下端板上，組裝出第一個單電池；

2）重復(fù)以上步驟，利用組裝輔助定位裝置把單電池整齊地疊加成電堆；

3）安裝好最后的單電池后，疊上上端板部分，使用組裝機施加設(shè)計好的壓力將電堆壓緊；

4）向電堆的進氣歧管安裝好氣密性測試設(shè)備（此處用氮氣測試），按照測試流程進行氣密性檢測；

5）氣密性檢測通過后，在保持壓力的情況下，安裝好螺桿（壓縮力保持裝置）。隨后即可撤除壓力，至此一個電堆就組裝完畢了。

4、燃料電池電堆模塊：

在實際應(yīng)用中，電堆的堆棧及其他附件都是封裝于一個殼體之內(nèi)的。

封裝殼體需要注意以下幾個方面的要求：

（1）殼體材料密度要小，強度要高，且易于機械加工成型。

（2）內(nèi)需要考慮內(nèi)部接觸處，電堆的短路防護。

（3）具有一定的外界防水能力。

（4）具有一定的酸堿防腐蝕能力，且具有一定的高低溫耐久性。

那么殼體內(nèi)都包含哪些模塊和組件呢？

1、電堆堆棧本體：燃料電池電堆系統(tǒng)的核心，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以提供動力的場所。

2、堆棧與殼體的固定模塊：保證堆棧與殼體牢牢地固定在一起，避免在外力載荷情況下，堆棧在殼體內(nèi)發(fā)生滑動，從而影響堆棧的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3、巡檢模塊：作為燃料電池模塊中唯一的電子模塊，主要用于采集燃料電池電壓，同時做出簡單的故障診斷（如最低單體電壓報警等）。這些信息與燃料電池控制器實現(xiàn)交互。我們之前有一期專門介紹了巡檢模塊（燃料電池系統(tǒng)的“眼睛”：燃料電池電堆巡檢（CVM））。

4、匯流排模塊：該模塊為燃料電池模塊中高壓電氣部件的一部分，其主要作用是匯集電流，并通過高壓接插件向外界輸出電流。

5、殼體內(nèi)部與大氣環(huán)境的交互模塊：殼體上應(yīng)有開口，與大氣相通，從而避免殼體內(nèi)滲漏氫氣的聚集；但是開口處又必須有防水功能，避免外部水分進入殼體內(nèi)，導(dǎo)致殼體內(nèi)水的冷凝聚集；另外殼體的開口應(yīng)具有向外排水而外部液態(tài)水又不能進入殼體內(nèi)部的功能。

各個電堆廠家的方案有所不同，有的采用防水透氣膜，安裝于封裝殼體上，有的采用吹掃的方式，在封裝殼體上開設(shè)吹掃口，通過主動吹氣的方法排除殼體內(nèi)部的氫氣和水分。

燃料電池電堆組裝電感伺服粉末成型機技術(shù)

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