廣告
燃料電池電堆模塊詳解
2020-11-12 23:44:45· 來源：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更全面地科普講解一下常見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更全面地科普講解一下常見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，來更詳細地向大家從內(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)。
上述對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、直觀地認識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，其工作原理如下所示。
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。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？下面為大家進行詳細分解，電堆堆棧結(jié)構(gòu)的剖面示意和實體結(jié)構(gòu)如下圖：
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。
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。
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
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能材料試驗機相似，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。目前已經(jīng)有許多電堆自動化組裝設(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。
燃料電池電堆自動化組裝可以參考這個電堆生產(chǎn)視頻（這是國外某家廠商展示的自動化電堆生產(chǎn)機器），基本流程是一致的：
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，即實際應(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？下面以豐田一代電堆為例進行展示，基本上電堆封裝殼體內(nèi)的模塊都包括以下五個部分。
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。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
開年豪擲1.8億搶用戶，又一車企加入“價格
2026-03-04 16:05
-
聯(lián)合國法規(guī)R60對兩輪車操縱件與指示裝置的
2026-03-04 12:08
-
標(biāo)準(zhǔn)立項|《汽車異種材料鉚接接頭拉伸性能
2026-03-04 11:40
-
“汽車大角度座椅 第1部分：通用要求”將有
2026-03-04 11:39
-
“汽車大角度座椅 第2部分：可靠性要求”將
2026-03-04 11:39
