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車用燃料電池金屬極板的制造誤差

2020-11-30 18:10:41·  來源：燃料電池干貨  
　
金屬極板的高精度成形對于大功率燃料電池堆實現(xiàn)均勻接觸壓力和高效反應(yīng)起著重要作用。由于金屬極板通?；诔“鍥_壓成形制備，因此制造誤差包含形狀誤差、位置
金屬極板的高精度成形對于大功率燃料電池堆實現(xiàn)均勻接觸壓力和高效反應(yīng)起著重要作用。由于金屬極板通?；诔“鍥_壓成形制備，因此制造誤差包含形狀誤差、位置誤差和裝配誤差。



為獲得所需高電壓和動力輸出，車載燃料電池堆通常由數(shù)百片燃料電池單體串聯(lián)堆疊形成。因高生產(chǎn)節(jié)拍和低成本，沖壓成型和焊接過程被視為雙極板大批量制備的最佳選擇之一。此外，金屬雙極板在高功率密度、高機械強度和高導(dǎo)熱性方面占據(jù)優(yōu)勢，使其成為國內(nèi)外眾多高功率密度燃料電池堆的極板材料。由于薄板成型的特點，在實際制造過程中，金屬雙極板主要存在三類制造誤差：形狀誤差、位置誤差和裝配誤差。


金屬雙極板制備流程

01  形狀誤差


形狀誤差—翹曲


形狀誤差-厚度均一性差

金屬極板的形狀誤差主要表現(xiàn)為翹曲(平面度誤差大)和厚度均一性較差，由沖壓成型過程中材料回彈、焊接過程中熱應(yīng)力變形和模具加工精度引起。在電堆組裝過程中，當(dāng)金屬極板翹曲嚴(yán)重，壓緊力將集中在膜電極的特定局部位置，導(dǎo)致壓力分布不均。壓力低的區(qū)域接觸電阻較大，壓力高的地方電極材料易受損，導(dǎo)致電池性能下降甚至失效。極板厚度均一性直接影響流道間一致性及其與電極的接觸電阻，從而影響電池性能。此外，隨著極板成形次數(shù)的累加，模具表面也會發(fā)生損耗，給極板成形精度帶來不確定性。因此，控制金屬極板的形狀誤差在合理范圍或較低的水平尤為必要。


薄板沖壓成形


陰陽極板激光焊接

02  位置誤差


位置誤差-平行度

金屬極板的位置誤差表現(xiàn)為極板的脊背或槽底平行度誤差較大，主要是由于模具加工精度和薄板成型過程中局部較高的沖壓力等因素引起。顯然，平行度誤差較大直接影響與相鄰極板或膜電極的接觸，引起嚴(yán)重的面壓不均等現(xiàn)象，甚至帶來陰陽極板焊接失效和刺穿電極等問題。因此，極板成形模具的高精度加工也同樣至關(guān)重要。


金屬極板模具精加工

03  裝配誤差


裝配誤差示意

車載大功率燃料電池堆由數(shù)百片金屬極板和膜電極層疊形成，因此對金屬極板的裝配精度提出高要求。通常，極板定位孔的尺寸誤差、薄板成形回彈和焊接熱變形會耦合誘發(fā)裝配誤差變大。裝配誤差的存在影響相鄰金屬極板的對齊、導(dǎo)致裝配偏移或錯位，進而導(dǎo)致極板與電極接觸壓力分布不均勻或偏離設(shè)計值。


豐田第一代Mirai燃料電池堆裝配

此外，裝配誤差引起的錯位給膜電極施加了額外的力矩，引起膜電極變形和產(chǎn)生應(yīng)力集中。再者，相鄰極板的裝配誤差將使極板邊緣的密封件錯位，降低密封有效性，甚至引起密封失效。


裝配誤差引起的密封失效示意 
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