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氫能源電堆

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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,即構成燃料電池電堆。燃料電池電堆是發(fā)生電化學反應場所,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反應。


1. 燃料電池單池
燃料電池單池包括七層結構,最中間一層為質子交換膜(又稱電解質膜),然后兩側對稱地依次為陰/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. 電堆堆棧結構
對于燃料電池來說,由一組電極和電解質板構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構如下圖所示

這種堆棧結構就是燃料電池系統(tǒng)的核心,也是燃料電池的關鍵技術,它的內(nèi)部結構如何呢?下面為大家進行詳細分解,結構如下圖:

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結構上看,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

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)生針孔的風險,并且可能引入其他導電材料,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鍵部分??紤]到燃料電池的輸出電流較大,都采用導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“三合一結構”。PEMFC的性能由MEA決定,而MEA的性能主要由質子交換膜性能、擴散層結構、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. 燃料電池電堆模塊
在實際應用中,電堆的堆棧及其他附件都是封裝于一個殼體之內(nèi)的,即實際應用中我們看到的成品電堆基本都是如下所示。
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。

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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)生電化學反應以提供動力的場所
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,從而影響堆棧的結構穩(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。

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),導致殼體內(nèi)水的冷凝聚集;另外殼體的開口應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。

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CNC精加工操作順序及注意事項

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2022-11-21

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