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    燃料電池堆的密封與組裝

    發布日期: 2021-08-02
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    1 電堆密封 


    通常,一臺燃料電池堆有幾十個甚至數百個密封面或密封部位,密封面又分為一次性密封面和活動性密封面?一次性密封主要采用樹脂膠黏劑,活動性密封主要采用橡膠彈性體?現階段,針對燃料電池堆內部單電池間的密封,多采用彈性體密封,即所謂的靜態密封,需要一個適當的組裝壓力作用在電池堆各個組件的接觸面上,通過靜摩擦力約束組件的移動,以達到密封的效果?燃料電池堆的密封結構與MEA的結構密切相關,密封的主要作用是保障電池堆在運行過程中,在操作壓力下的各腔室氣體的隔絕及外部密封? 


    1.1 密封要求


    燃料電池堆對密封可靠性要求高,不允許有任何泄漏,尤其在車用和軍式應用等領域?為了達到較好的密封效果,需要選擇適宜的密封結構和密封材料?總體來看,電池堆的密封通常要滿足以下要求: 


    1)反應氣?冷卻液不外漏,燃料?氧化劑和冷卻液不互竄?


    2)密封組件安全可靠,壽命長?


    3)密封組件結構緊湊,制造維修方便? 


    1.2 密封材料


    (1)密封材料的一般性要求


    密封材料應該滿足密封功能的要求?由于被密封的介質不同,以及設備的工作條件不同,要求密封材料具有不同的適用性?對密封材料的一般要求如下: 


    1)材料的致密性好,不易泄漏介質?


    2)有適當的機械強度和硬度?


    3)壓縮性和回彈性好,長期性變形小?


    4)高溫下不軟化?不分解,低溫下不硬化?不脆裂?


    5)耐腐蝕性能好,在酸?堿?油等介質中能長期工作,其體積和硬度變化小,且不黏附在密封面上,對燃料電池其他部件不產生污染?


    6)摩擦系數小,耐磨性好;具有與密封面結合的柔軟性;耐老化性能好,經久耐用?


    7)加工制造方便,價格便宜,取材容易?


    雖然幾乎沒有材料可以*上述要求,但是具有優異密封性能的材料-般能夠滿足上述大部分要求? 


    (2)密封材料種類


    燃料電池常采用的密封材料為橡膠類高分子材料,其制品種類繁多,包括硅橡膠?氟橡膠?丁腈橡膠(NBR)?氯丁橡膠(CR)?三元乙丙橡膠(EPDM)等?表2-14為幾種常用密封材料的優缺點比較?

    表2-14 幾種常用密封材料的優缺點比較


    對橡膠密封件而言,回彈性越好?內部應力保存時間越長,密封效果越好?橡膠密封件的密封效果,除取決于密封件的結構設計之外,還主要取決于橡膠材料的力學性能,主要的是取決于橡膠材料保持內部應力?形變復原時間的長短,即應力松弛時間?該時間長,橡膠密封件密封效果就好;反之,橡膠密封件內應力不易保持,密封效果就不好?


    1.3 密封結構形式


    密封組件通常位于燃料電池堆中的雙極板和膜電極之間,以起到防止氣體和冷卻劑向外泄漏和交叉互竄的作用?


    當前,密封組件按照形成方式大致分為:MEA集成式密封?雙極板集成式密封?獨立式密封件和其他復合式密封。


    (1)MEA集成式密封


    MEA集成式密封,是指將密封集成在MEA邊框或擴散層邊緣,與MEA形成整體結構?常采用注塑成型法形成密封結構?由于MEA與密封是整體結構,一旦密封失效就需要更換整個MEA。


    一種典型的密封結構如圖2-35所示,首先需把預先壓制好的MEA固定在模具中,然后利用螺桿泵將液體硅橡膠注入模具,使之充分包覆在MEA之上,后加熱使硅橡膠硫化?圖中密封組件的a部分浸入到MEA之中與其緊密結合,防止氣體繞過密封元件造成短路;c部分吸收幾乎全部的組裝力,在達到良好的密封效果的同時確保與MEA結合處不受擠壓以保護MEA;b部分的弧形設計可以防止應力集中,在a和c之間起到過渡的作用;d部分與特別設計的雙極板配合,起到緩沖和防振的作用?

    圖2-35 一種典型的密封結構


    a-連接部分b-過部分c-形變部分d-延伸部分 這種密封結構設計,可提高裝配效率,同時能防止氣體短路,與雙極板配合可達到優異的密封效果?但該設計的難點在于選擇適宜的橡膠材料,使其在硬度?固化時間?化學穩定性和MEA的相容性等方面達到佳的平衡;另外,如果密封組件失效,整個MEA也隨之報廢,因此它對硅橡膠的性能和模具的加工精度提出了更高的要求? 


    (2)雙極板集成式密封


    雙極板集成式密封如圖2-36所示,是指將密封組件與雙極板集成在一起,形成帶有密封功能的雙極板?該制備工藝通常是將特定的密封材料,通過一定成型工藝在雙極板的密封溝槽內原位成型得到,根據成型方式不同又可分為點膠?注射成型;根據密封材料固化方式可分為熱壓固化?冷壓固化和紫外光固化等?雙極板集成式密封易于組裝,適合大批量生產?


    圖2-36 雙極板集成式密封


    (3)獨立式密封


    獨立式密封是指密封組件獨立于MEA與雙極板之外,通常先將密封材料通過模壓等方法制成一個與MEA?雙極板結構及尺寸匹配的密封組件,在組裝時把密封原件固定在雙極板上? 此類密封原件一般用平板膠皮沖剪或密封材料注塑(或模壓)成型?在組裝電池過程中,利用膠黏劑將該獨立式密封組件黏結在雙極板的溝槽內?圖2-37為一種典型的獨立式密封結構示意圖,采用這種方法,MEA尺寸比雙極板略小,僅比雙極板流場部分稍大?

    圖2-37 一種典型的獨立式密封結構1-雙極板2-平皮3-臺皮4-流場5-共用孔道6-膜7-電極8-PTFE膜或無孔塑料片


    這種密封結構的特點是密封組件加工成型相對容易,當密封組件失效后可單獨替換,維護成本低;但缺點是電堆裝配過程煩瑣? 


    (4)復合式密封


    目前,有汽車廠商采用另一種電堆密封形式,圖2-38所示為燃料電池單體?密封部件的剖視圖。每個電池單元由極板4U?MEA?極板4D整體密封制成,其中上極板表面采用橡膠彈性體密封,如圖2-38中5U;另外,兩個極板之間部位5D,采用橡膠彈性體進行一體化密封?該種密封結構形式,從制造工藝上看,步驟較為復雜,但它能確保極板與MEA?極板與極板之間較優異的密封性,確保在低壓縮率時較好的密封性?高壓縮率時較高的密封耐久性?


    圖2-38 燃料電池單體?密封部件的剖視圖


    2 電堆組裝


    PEMFC反應的標準理論電壓為1.229V,但通常情況下,單節燃料電池的工作電壓設定在0.6~0.7V,為達到應用所需的電壓和功率要求,通常將多個單電池串聯在一起組成燃料電池堆,這一串聯的過程即是電堆組裝(或封裝)?燃料電池組裝是將一定數量的膜電極?雙極板?密封原件?集流板?端板等,運用一定的組裝形式,按一定順序組裝成一個完整的電堆?


     對于電堆組裝,一是要滿足密封要求,二是要使得各層之間的接觸電阻小?通常采用尺寸控制和壓力控制確定組裝尺寸?


    2.1 組裝尺寸確定


    不同的燃料電池堆具有不同的組裝特性,但每個電池堆的封裝力均有一個上下極限值?上限值為不使電堆內任何部件產生塑性變形或壓潰破壞的大封裝力,下限值為保證結構密封特性(密封界面達到小密封比壓)的小封裝力? 


    (1)尺寸控制


    電堆組裝除了要保證電堆密封性外,還要保證MEA與雙極板界面的良好接觸?電堆設計階段要考慮電堆密封元件形變與MEA形變的匹配,在組裝過程中通過控制電堆高度定量雙極板向膜電極擴散層中嵌入深度,并同時使密封元件達到預定的變形量i?圖2-39為電堆組裝過程密封件?雙極板與MEA相對位置圖? 


    (2)壓力控制


    除了用高度控制來獲得電堆佳組裝匹配外,還可采用組裝力控制法確定電堆部件之間的良好匹配關系?組裝力可以通過組裝機械(如油壓機)實施?電堆組裝力控制與接觸電阻隨著組裝力變化的示意圖如圖2-40所示?隨著組裝力加大,雙極板與MEA間的接觸電阻逐漸減少,當達到平緩區即為佳的組裝力控制區?通常接觸電阻與組裝力的關系可以在電堆組裝前通過單電池試驗離線獲得,并確定接觸電阻達到較小狀態時對應的組裝力?


    圖2-39 電堆組裝過程密封?雙極板與MEA相對位置圖

    C-雙極板密封槽深度d-密封件直徑

    bM1-MEA對應密封部分的厚度

    bM2-MEA對應密封部分的厚度

    圖2-40 電堆組裝力控制與接觸電阻隨著組裝力變化示意圖


    2.2 緊固形式


    目前,主流的燃料電池堆緊固方式有兩種:一是螺栓緊固;二是鋼帶緊固?其他緊固方式,如箱式彈簧緊固?平板緊固等,現階段已經較少被使用?


    螺栓緊固是一種常用緊固方式,它適用于小單池?多片電池和大電堆的組裝,螺栓緊固如圖2-41所示?目前,國內外各燃料電池企業和整車廠如新源動力?明天氫能?Hydrogenics?Elringklinger?豐田?現代等,國內科研院所如中科院大連化物所?武漢理工大學等,均采用此種緊固方式?螺栓緊固的特點是簡單易行,可靠性較高;但該緊固方式常常由于局部螺栓與周邊部位受力差異,導致端板受力不均的問題,嚴重時會在螺桿間部位出現“密封真空",發生密封不嚴的狀況?一般這種情況下,可通過優化螺栓數量?位置及組裝載荷來改善電堆密封性能?鋼帶緊固目前較多被應用于石墨板電堆,國內外燃料電池企業如廣東國鴻氫能?北京氫璞?Ballard?ZSW等均采用這種電堆緊固方式,鋼帶緊固如圖2-42所示?鋼帶緊固的特點是結構緊湊,比螺栓緊固節省空間,它能夠分散鋼帶與電堆緊固處的緊壓力,避免出現局部端板受力不均勻的情況?目前,鋼帶緊固方式是大型燃料電池堆比較先進的緊固技術,但該組裝工藝的設計及實施較為復雜?

    圖2-41 螺栓緊固


    此外還有一種電堆緊固技術叫雙極板互嵌式自動緊固技術?這種緊固方式的結構更加緊湊,但其僅適用于微型電池,對于加工精度和組裝工藝均要求較高?


    2.3 電堆合格檢測條件


    電堆在達到合格下線之前,要經過檢測,達到一定的合格要求?表2-15列舉了燃料電池堆試驗檢驗項目及檢驗依據?


    圖2-42 鋼帶緊固

    表2-15 燃料電池堆試驗檢驗項目及檢驗依據


    來源:氫能源燃料電池電動汽車微信公眾號---燃料電池電動汽車設計

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