燃料電池電堆組裝

來(lái)源：鑫臺(tái)銘時(shí)間：2021-06-10 13:52瀏覽次數(shù)：- | 分享加入收藏

燃料電池電堆由端板、絕緣板、集流板、單電池（包含雙極板和MEA）組成，他們之間通過(guò)壓緊力被組裝到一起。電堆由這些零部件之間通過(guò)螺釘和端板組合施加的壓緊力被組合成了一個(gè)短電堆。下面看看電堆是如何組裝、組裝過(guò)程中需要關(guān)注什么、以及有哪些電堆組裝設(shè)計(jì)吧。

1. 電堆組裝裝置和流程：

用于燃料電池電堆組裝的設(shè)備最基本的功能是向電堆施加夾緊力。除此之外，電堆組裝機(jī)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(cè)設(shè)備等。

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(gè)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(jī)施加設(shè)計(jì)好的壓力將電堆壓緊；

4）向電堆的進(jìn)氣歧管安裝好氣密性測(cè)試設(shè)備（此處用氮?dú)鉁y(cè)試），按照測(cè)試流程進(jìn)行氣密性檢測(cè)；

5）氣密性檢測(cè)通過(guò)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(gè)電堆就組裝完畢了。

2. 組裝方式：

燃料電池電堆壓力機(jī)的壓緊力可以通過(guò)點(diǎn)壓力、線(xiàn)壓力和面壓力來(lái)提供。因此衍生出來(lái)了許多組裝方式，通過(guò)不同的壓緊方式來(lái)將電堆組裝起來(lái)。目前市面上比較常見(jiàn)的有螺桿壓緊方式和綁帶式壓緊兩種電堆壓緊方式。

3. 壓緊力對(duì)電堆的影響：

壓緊力對(duì)于燃料電池電堆來(lái)說(shuō)影響重大，電堆的性能和穩(wěn)定性會(huì)受其影響。壓緊力既不能太大也不能太小，它必須在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。從電堆結(jié)構(gòu)上看，壓緊力會(huì)對(duì)各個(gè)部分都有影響。

MEA:

較小的壓緊力也會(huì)導(dǎo)致雙極板與GDL之間的接觸面積與接觸力不夠，導(dǎo)致接觸電阻上升，電堆性能下降。同時(shí)壓緊力還會(huì)影響GDL層的孔隙率，進(jìn)而影響GDL的通水和通氣性。較大的壓緊力會(huì)導(dǎo)致GDL產(chǎn)生塑性形變，改變其特性。高壓力對(duì)質(zhì)子交換膜來(lái)說(shuō)也有較大的風(fēng)險(xiǎn)，較高的壓力配合質(zhì)子交換膜的膨脹收縮過(guò)程，會(huì)使質(zhì)子交換膜更容易出現(xiàn)裂紋和針孔。另外，有對(duì)質(zhì)子交換膜的研究顯示高壓力會(huì)導(dǎo)致氟化物的加速產(chǎn)生，而這是導(dǎo)致質(zhì)子交換膜壽命減少的一個(gè)重要原因。

密封結(jié)構(gòu)：

當(dāng)壓緊力太小時(shí)，電堆內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)無(wú)法起到足夠的密封作用，會(huì)導(dǎo)致漏氣從而引發(fā)安全問(wèn)題。如果壓的不夠緊的話(huà)，各零部件之間的摩擦力也會(huì)相應(yīng)減小。當(dāng)電堆遇到晃動(dòng)、沖擊等會(huì)對(duì)電堆產(chǎn)生橫向應(yīng)力的情境時(shí)，各零部件之間的摩擦力就不足以保持電堆的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，零部件之間的錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致電堆無(wú)法正常工作。

膠墊或者O圈的電堆密封結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用硅膠材料制成。有研究顯示，雖然溫度是對(duì)其壽命的主要影響因素，但是像電堆中這樣的高應(yīng)力也會(huì)一定程度上加速這個(gè)老化過(guò)程。老化的密封材料主要表現(xiàn)是其厚度會(huì)下降，而這個(gè)現(xiàn)象會(huì)反過(guò)來(lái)影響壓縮力，因此在有些電堆組裝的設(shè)計(jì)中，加入了自適應(yīng)或者可調(diào)節(jié)壓縮力的裝置。

流場(chǎng)結(jié)構(gòu)：

GDL用的可能是碳紙或者無(wú)紡布，當(dāng)受到壓縮時(shí)，GDL發(fā)生的形變會(huì)使流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受到改變，從而對(duì)電堆性能產(chǎn)生影響，尤其是有較好彈性的無(wú)紡布。

壓緊力優(yōu)化：

因此需要利用期望函數(shù)等級(jí)（desirability funcition）來(lái)預(yù)測(cè)出其最優(yōu)設(shè)計(jì)。關(guān)于壓緊力優(yōu)化的研究有很多，主要的焦點(diǎn)在于在保證壓緊力達(dá)到最小壓緊力的前提下，如何平衡孔隙率和接觸電阻。基于連續(xù)性等效模型（continous equivalent model）分別計(jì)算了在不同緊固壓力下的界面接觸電阻（ICR, interfacial contact resistance）、孔隙率。因此需要利用期望函數(shù)等級(jí)（desirability funcition）來(lái)預(yù)測(cè)出其最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4. 主要研究方向：

1、最優(yōu)化壓緊力。

2、理解壓緊力對(duì)電堆各零部件及對(duì)電堆性能的影響。

3、對(duì)電堆組裝過(guò)程的評(píng)估和優(yōu)化手段。

4、針對(duì)電堆組裝方案設(shè)計(jì)燃料電池電堆各零部件和提升電堆組裝效率。

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