燃料電池電堆組裝

來源：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，他們之間通過壓緊力被組裝到一起。電堆由這些零部件之間通過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)的壓緊力可以通過點(diǎn)壓力、線壓力和面壓力來提供。因此衍生出來了許多組裝方式，通過不同的壓緊方式來將電堆組裝起來。目前市面上比較常見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)于燃料電池電堆來說影響重大，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)子交換膜來說也有較大的風(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)安全問題。如果壓的不夠緊的話，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)反過來影響壓縮力，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?；谶B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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