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燃料电池堆的密封与组装

发布日期: 2021-08-02
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1 电堆密封 


通常,一台燃料电池堆有几十个甚至数百个密封面或密封部位,密封面又分为一次性密封面和活动性密封面。一次性密封主要采用树脂胶黏剂,活动性密封主要采用橡胶弹性体。现阶段,针对燃料电池堆内部单电池间的密封,多采用弹性体密封,即所谓的静态密封,需要一个适当的组装压力作用在电池堆各个组件的接触面上,通过静摩擦力约束组件的移动,以达到密封的效果。燃料电池堆的密封结构与MEA的结构密切相关,密封的主要作用是保障电池堆在运行过程中,在操作压力下的各腔室气体的隔绝及外部密封。 


1.1 密封要求


燃料电池堆对密封可靠性要求高,不允许有任何泄漏,尤其在车用和军式应用等领域。为了达到较好的密封效果,需要选择适宜的密封结构和密封材料。总体来看,电池堆的密封通常要满足以下要求: 


1)反应气、冷却液不外漏,燃料、氧化剂和冷却液不互窜。


2)密封组件安全可靠,寿命长。


3)密封组件结构紧凑,制造维修方便。 


1.2 密封材料


(1)密封材料的一般性要求


密封材料应该满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同,以及设备的工作条件不同,要求密封材料具有不同的适用性。对密封材料的一般要求如下: 


1)材料的致密性好,不易泄漏介质。


2)有适当的机械强度和硬度。


3)压缩性和回弹性好,长期性变形小。


4)高温下不软化、不分解,低温下不硬化、不脆裂。


5)耐腐蚀性能好,在酸、碱、油等介质中能长期工作,其体积和硬度变化小,且不黏附在密封面上,对燃料电池其他部件不产生污染。


6)摩擦系数小,耐磨性好;具有与密封面结合的柔软性;耐老化性能好,经久耐用。


7)加工制造方便,价格便宜,取材容易。


虽然几乎没有材料可以完全满足上述要求,但是具有优异密封性能的材料-般能够满足上述大部分要求。 


(2)密封材料种类


燃料电池常采用的密封材料为橡胶类高分子材料,其制品种类繁多,包括硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶(NBR)、氯丁橡胶(CR)、三元乙丙橡胶(EPDM)等。表2-14为几种常用密封材料的优缺点比较。

表2-14 几种常用密封材料的优缺点比较


对橡胶密封件而言,回弹性越好、内部应力保存时间越长,密封效果越好。橡胶密封件的密封效果,除取决于密封件的结构设计之外,还主要取决于橡胶材料的力学性能,最主要的是取决于橡胶材料保持内部应力、形变复原时间的长短,即应力松弛时间。该时间长,橡胶密封件密封效果就好;反之,橡胶密封件内应力不易保持,密封效果就不好。


1.3 密封结构形式


密封组件通常位于燃料电池堆中的双极板和膜电极之间,以起到防止气体和冷却剂向外泄漏和交叉互窜的作用。


当前,密封组件按照形成方式大致分为:MEA集成式密封、双极板集成式密封、独立式密封件和其他复合式密封。


(1)MEA集成式密封


MEA集成式密封,是指将密封集成在MEA边框或扩散层边缘,与MEA形成整体结构。常采用注塑成型法形成密封结构。由于MEA与密封是整体结构,一旦密封失效就需要更换整个MEA。


一种典型的密封结构如图2-35所示,首先需把预先压制好的MEA固定在模具中,然后利用螺杆泵将液体硅橡胶注入模具,使之充分包覆在MEA之上,最后加热使硅橡胶硫化。图中密封组件的a部分浸入到MEA之中与其紧密结合,防止气体绕过密封元件造成短路;c部分吸收几乎全部的组装力,在达到良好的密封效果的同时确保与MEA结合处不受挤压以保护MEA;b部分的弧形设计可以防止应力集中,在a和c之间起到过渡的作用;d部分与特别设计的双极板配合,起到缓冲和防振的作用。

图2-35 一种典型的密封结构


a-连接部分b-过部分c-形变部分d-延伸部分 这种密封结构设计,可提高装配效率,同时能防止气体短路,与双极板配合可达到优异的密封效果。但该设计的难点在于选择适宜的橡胶材料,使其在硬度、固化时间、化学稳定性和MEA的相容性等方面达到最佳的平衡;另外,如果密封组件失效,整个MEA也随之报废,因此它对硅橡胶的性能和模具的加工精度提出了更高的要求。 


(2)双极板集成式密封


双极板集成式密封如图2-36所示,是指将密封组件与双极板集成在一起,形成带有密封功能的双极板。该制备工艺通常是将特定的密封材料,通过一定成型工艺在双极板的密封沟槽内原位成型得到,根据成型方式不同又可分为点胶、注射成型;根据密封材料固化方式可分为热压固化、冷压固化和紫外光固化等。双极板集成式密封易于组装,适合大批量生产。


图2-36 双极板集成式密封


(3)独立式密封


独立式密封是指密封组件独立于MEA与双极板之外,通常先将密封材料通过模压等方法制成一个与MEA、双极板结构及尺寸匹配的密封组件,在组装时把密封原件固定在双极板上。 此类密封原件一般用平板胶皮冲剪或密封材料注塑(或模压)成型。在组装电池过程中,利用胶黏剂将该独立式密封组件黏结在双极板的沟槽内。图2-37为一种典型的独立式密封结构示意图,采用这种方法,MEA尺寸比双极板略小,仅比双极板流场部分稍大。

图2-37 一种典型的独立式密封结构1-双极板2-平皮3-台皮4-流场5-共用孔道6-膜7-电极8-PTFE膜或无孔塑料片


这种密封结构的特点是密封组件加工成型相对容易,当密封组件失效后可单独替换,维护成本低;但缺点是电堆装配过程烦琐。 


(4)复合式密封


目前,有汽车厂商采用另一种电堆密封形式,图2-38所示为燃料电池单体、密封部件的剖视图。每个电池单元由极板4U、MEA、极板4D整体密封制成,其中上极板表面采用橡胶弹性体密封,如图2-38中5U;另外,两个极板之间部位5D,采用橡胶弹性体进行一体化密封。该种密封结构形式,从制造工艺上看,步骤较为复杂,但它能确保极板与MEA、极板与极板之间较优异的密封性,确保在低压缩率时较好的密封性、高压缩率时较高的密封耐久性。


图2-38 燃料电池单体、密封部件的剖视图


2 电堆组装


PEMFC反应的标准理论电压为1.229V,但通常情况下,单节燃料电池的工作电压设定在0.6~0.7V,为达到应用所需的电压和功率要求,通常将多个单电池串联在一起组成燃料电池堆,这一串联的过程即是电堆组装(或封装)。燃料电池组装是将一定数量的膜电极、双极板、密封原件、集流板、端板等,运用一定的组装形式,按一定顺序组装成一个完整的电堆。


 对于电堆组装,一是要满足密封要求,二是要使得各层之间的接触电阻最小。通常采用尺寸控制和压力控制确定组装尺寸。


2.1 组装尺寸确定


不同的燃料电池堆具有不同的组装特性,但每个电池堆的封装力均有一个上下极限值。上限值为不使电堆内任何部件产生塑性变形或压溃破坏的最大封装力,下限值为保证结构密封特性(密封界面达到最小密封比压)的最小封装力。 


(1)尺寸控制


电堆组装除了要保证电堆密封性外,还要保证MEA与双极板界面的良好接触。电堆设计阶段要考虑电堆密封元件形变与MEA形变的匹配,在组装过程中通过控制电堆高度定量双极板向膜电极扩散层中嵌入深度,并同时使密封元件达到预定的变形量i。图2-39为电堆组装过程密封件、双极板与MEA相对位置图。 


(2)压力控制


除了用高度控制来获得电堆最佳组装匹配外,还可采用组装力控制法确定电堆部件之间的良好匹配关系。组装力可以通过组装机械(如油压机)实施。电堆组装力控制与接触电阻随着组装力变化的示意图如图2-40所示。随着组装力加大,双极板与MEA间的接触电阻逐渐减少,当达到平缓区即为最佳的组装力控制区。通常接触电阻与组装力的关系可以在电堆组装前通过单电池试验离线获得,并确定接触电阻达到较小状态时对应的组装力。


图2-39 电堆组装过程密封、双极板与MEA相对位置图

C-双极板密封槽深度d-密封件直径

bM1-MEA对应密封部分的厚度

bM2-MEA对应密封部分的厚度

图2-40 电堆组装力控制与接触电阻随着组装力变化示意图


2.2 紧固形式


目前,主流的燃料电池堆紧固方式有两种:一是螺栓紧固;二是钢带紧固。其他紧固方式,如箱式弹簧紧固、平板紧固等,现阶段已经较少被使用。


螺栓紧固是一种常用紧固方式,它适用于小单池、多片电池和大电堆的组装,螺栓紧固如图2-41所示。目前,国内外各燃料电池企业和整车厂如新源动力、明天氢能、Hydrogenics、Elringklinger、丰田、现代等,国内科研院所如中科院大连化物所、武汉理工大学等,均采用此种紧固方式。螺栓紧固的特点是简单易行,可靠性较高;但该紧固方式常常由于局部螺栓与周边部位受力差异,导致端板受力不均的问题,严重时会在螺杆间部位出现“密封真空",发生密封不严的状况。一般这种情况下,可通过优化螺栓数量、位置及组装载荷来改善电堆密封性能。钢带紧固目前较多被应用于石墨板电堆,国内外燃料电池企业如广东国鸿氢能、北京氢璞、Ballard、ZSW等均采用这种电堆紧固方式,钢带紧固如图2-42所示。钢带紧固的特点是结构紧凑,比螺栓紧固节省空间,它能够分散钢带与电堆紧固处的紧压力,避免出现局部端板受力不均匀的情况。目前,钢带紧固方式是大型燃料电池堆比较先进的紧固技术,但该组装工艺的设计及实施较为复杂。

图2-41 螺栓紧固


此外还有一种电堆紧固技术叫双极板互嵌式自动紧固技术。这种紧固方式的结构更加紧湊,但其仅适用于微型电池,对于加工精度和组装工艺均要求较高。


2.3 电堆合格检测条件


电堆在达到合格下线之前,要经过检测,达到一定的合格要求。表2-15列举了燃料电池堆试验检验项目及检验依据。


图2-42 钢带紧固

表2-15 燃料电池堆试验检验项目及检验依据


来源:氢能源燃料电池电动汽车微信公众号---燃料电池电动汽车设计

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