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燃料電池電堆模塊詳解

2020-11-12 23:44:45·  來(lái)源：燃料電池百科  作者：錦徽  
　
之前小編發(fā)完研學(xué)丨燃料電池電堆的組裝這篇文章后，許多讀者朋友希望能夠更詳細(xì)更全面地科普講解一下常見(jiàn)商用燃料電池電堆模塊從內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)，因此這里結(jié)合前面
之前小編發(fā)完 研學(xué)丨燃料電池電堆的組裝 這篇文章后，許多讀者朋友希望能夠更詳細(xì)更全面地科普講解一下常見(jiàn)商用燃料電池電堆模塊從內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)，因此這里結(jié)合前面幾期的內(nèi)容一起，來(lái)更詳細(xì)地向大家從內(nèi)到外講解一下燃料電池電堆模塊。
 
燃料電池電堆由多個(gè)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(chǎng)所，為燃料電池系統(tǒng)（或燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)）核心部分。電堆工作時(shí)，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(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
 
上述對(duì)燃料電池電堆的解釋是不是比較抽象？下面小編就帶領(lǐng)大家具體、直觀地認(rèn)識(shí)一下燃料電池的電堆模塊。

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(chēng)電解質(zhì)膜），然后兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地依次為陰/陽(yáng)極催化層、陰/陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰/陽(yáng)極雙極板，其工作原理如下所示。
 
2. 電堆堆棧結(jié)構(gòu)

對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，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(gè)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(kāi)，雙極板用來(lái)串聯(lián)前后單電池和提供單電池的氣體流路。一般我們看到的電堆堆棧結(jié)構(gòu)如下圖所示。

 
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)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何呢？下面為大家進(jìn)行詳細(xì)分解，電堆堆棧結(jié)構(gòu)的剖面示意和實(shí)體結(jié)構(gòu)如下圖：
 
燃料電池電堆模塊詳解
 
結(jié)構(gòu)上看，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(gè)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(qiáng)度與剛度是端板最重要的特性。足夠的強(qiáng)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。
 
燃料電池電堆模塊詳解1
 
 
•  絕緣板

絕緣板對(duì)燃料電池功率輸出無(wú)貢獻(xiàn)，僅對(duì)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(guò)程產(chǎn)生針孔的風(fēng)險(xiǎn)，并且可能引入其他導(dǎo)電材料，引起絕緣性能降低。
 
燃料電池電堆模塊詳解3

•  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(chǎng)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。

 
 
燃料電池電堆模塊詳解4

•  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(kuò)散層三個(gè)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(kuò)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(bǔ)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(dòng)，需要滿(mǎn)足以下的要求：

（1）較高的氣體阻隔性：保證對(duì)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(shí)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(dòng)和沖擊；

（7）耐冷卻液：保證低離子析出率。

燃料電池電堆模塊詳解5
 
 
3.電堆組裝

電堆組裝結(jié)構(gòu)的示意圖如下所示：
  
用于電堆組裝的設(shè)備基本構(gòu)造如下左圖所示，與下右圖中材料研究中常用的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)相似，最基本的功能是向電堆施加夾緊力。除此之外，電堆組裝機(jī)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(cè)設(shè)備等。目前已經(jīng)有許多電堆自動(dòng)化組裝設(shè)備面世，但基本組裝原理與流程還是相似的。

 
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(gè)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(jī)施加設(shè)計(jì)好的壓力將電堆壓緊；

 
4.向電堆的進(jìn)氣歧管安裝好氣密性測(cè)試設(shè)備（此處用氮?dú)鉁y(cè)試），按照測(cè)試流程進(jìn)行氣密性檢測(cè)；

 
5.氣密性檢測(cè)通過(guò)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(gè)電堆就組裝完畢了。

 
燃料電池電堆自動(dòng)化組裝可以參考這個(gè)電堆生產(chǎn)視頻（這是國(guó)外某家廠(chǎng)商展示的自動(dòng)化電堆生產(chǎn)機(jī)器），基本流程是一致的：
  
4. 燃料電池電堆模塊

在實(shí)際應(yīng)用中，電堆的堆棧及其他附件都是封裝于一個(gè)殼體之內(nèi)的，即實(shí)際應(yīng)用中我們看到的成品電堆基本都是如下所示。

豐田Mirai模塊

新源電堆模塊

封裝殼體需要注意以下幾個(gè)方面的要求：

（1）殼體材料密度要小，強(qiáng)度要高，且易于機(jī)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(hù)。

（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？下面以豐田一代電堆為例進(jìn)行展示，基本上電堆封裝殼體內(nèi)的模塊都包括以下五個(gè)部分。

 
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(dòng)力的場(chǎng)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(dòng)，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(shí)做出簡(jiǎn)單的故障診斷（如最低單體電壓報(bào)警等）。這些信息與燃料電池控制器實(shí)現(xiàn)交互。我們之前有一期專(zhuān)門(mén)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(guò)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(kāi)口，與大氣相通，從而避免殼體內(nèi)滲漏氫氣的聚集；但是開(kāi)口處又必須有防水功能，避免外部水分進(jìn)入殼體內(nèi)，導(dǎo)致殼體內(nèi)水的冷凝聚集；另外殼體的開(kāi)口應(yīng)具有向外排水而外部液態(tài)水又不能進(jìn)入殼體內(nèi)部的功能。

各個(gè)電堆廠(chǎng)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(kāi)設(shè)吹掃口，通過(guò)主動(dòng)吹氣的方法排除殼體內(nèi)部的氫氣和水分。
 
 
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