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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。燃料電池電堆是發生電化學反應場所,為燃料電池系統(或燃料電池發動機)核心部分。電堆工作時,氫氣和氧氣分別經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板,經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,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的核心,也是燃料電池的關鍵技術,它的內部結構如何呢?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)環境耐熱性:適應高分子薄膜工作的工作環境;(5)環境絕緣性: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)內需要考慮內部接觸處,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的核心,發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,堆棧在殼體內發生滑動,從而影響堆棧的結構穩定性。
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、殼體內部與大氣環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,導致殼體內水的冷凝聚集;另外殼體的開口應具有向外排水而外部液態水又不能進入殼體內部的功能。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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