氫燃料電池電堆是怎么組成的？結(jié)構(gòu)詳解！
發(fā)布時間：
2022-06-02
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(jī))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(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
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(jī))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(jìn)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(kuò)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(jìn)行詳細(xì)分解，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(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。
絕緣板
絕緣板對燃料電池功率輸出無貢獻(xiàn)，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。考慮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(kuò)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(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，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. 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。
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(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。
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(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。
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