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燃料电池电堆模块详解
2020-11-12 23:44:45· 来源：燃料电池百科 作者：锦徽
之前小编发完研学丨燃料电池电堆的组装这篇文章后，许多读者朋友希望能够更详细更全面地科普讲解一下常见商用燃料电池电堆模块从内到外的结构，因此这里结合前面
之前小编发完 研学丨燃料电池电堆的组装 这篇文章后，许多读者朋友希望能够更详细更全面地科普讲解一下常见商用燃料电池电堆模块从内到外的结构，因此这里结合前面几期的内容一起，来更详细地向大家从内到外讲解一下燃料电池电堆模块。
燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。燃料电池电堆是发生电化学反应场所，为燃料电池系统（或燃料电池发动机）核心部分。电堆工作时，氢气和氧气分别经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
上述对燃料电池电堆的解释是不是比较抽象？下面小编就带领大家具体、直观地认识一下燃料电池的电堆模块。
1. 燃料电池单池
燃料电池单池包括七层结构，最中间一层为质子交换膜（又称电解质膜），然后两侧对称地依次为阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层和阴/阳极双极板，其工作原理如下所示。
2. 电堆堆栈结构
对于燃料电池来说，由一组电极和电解质板构成的燃料电池单池输出电压较低，电流密度较小，为获得高的电压和功率，通常将多个单电池串联，构成电堆堆栈。相邻单电池间用双极板隔开，双极板用来串联前后单电池和提供单电池的气体流路。一般我们看到的电堆堆栈结构如下图所示。
这种堆栈结构就是燃料电池系统的核心，也是燃料电池的关键技术，它的内部结构如何呢？下面为大家进行详细分解，电堆堆栈结构的剖面示意和实体结构如下图：
结构上看，燃料电池电堆堆栈主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封圈这七个部分组成：
• 端板
端板的主要作用是控制接触压力，因此足够的强度与刚度是端板最重要的特性。足够的强度可以保证在封装力作用下端板不发生破坏，足够的刚度则可以使得端板变形更加合理，从而均匀地传递封装载荷到密封层和MEA上。
绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离。为了提高功率密度，要求在保证绝缘距离(或绝缘电阻)前提下最大化减少绝缘板厚度及重量。但减少绝缘板厚度存在制造过程产生针孔的风险，并且可能引入其他导电材料，引起绝缘性能降低。
• 集流板
集流板是将燃料电池的电能输送到外部负载的关键部分。考虑到燃料电池的输出电流较大，都采用导电率较高的金属材料制成的金属板(如铜板、镍板或镀金的金属板)作为燃料电池的集流板。
燃料电池双极板（Bipolar Plate，BP）又叫流场板，是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。
• 膜电极
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由质子交换膜、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构”。PEMFC的性能由MEA决定，而MEA的性能主要由质子交换膜性能、扩散层结构、催化层材料和性能、MEA本身的制备工艺所决定。
紧固件的作用主要是维持电堆各组件之间的接触压力，为了维持接触压力的稳定以及补偿密封圈的压缩永久变形，端板与绝缘板之间还可以添加弹性元件。
燃料电池用密封圈主要作用就是保证电堆内部的气体和液体正常、安全地流动，需要满足以下的要求：
（1）较高的气体阻隔性：保证对氢气和氧气的密封；
（2）低透湿性：保证高分子薄膜在水蒸气饱和状态下工作；
（3）耐湿性：保证高分子薄膜工作时形成饱和水蒸气；
（4）环境耐热性：适应高分子薄膜工作的工作环境；
（5）环境绝缘性：防止单体电池间电气短路；
（6）橡胶弹性体：吸收振动和冲击；
（7）耐冷却液：保证低离子析出率。
3.电堆组装
电堆组装结构的示意图如下所示：
用于电堆组装的设备基本构造如下左图所示，与下右图中材料研究中常用的万能材料试验机相似，最基本的功能是向电堆施加夹紧力。除此之外，电堆组装机还有方便装配的校准杆、方便均匀施加夹紧力的压缩块、底座以及一些气密性检测设备等。目前已经有许多电堆自动化组装设备面世，但基本组装原理与流程还是相似的。
1.将双极板、膜电极（此处为碳纸-CCM-碳纸）、双极板按顺序依次叠加在已安装好绝缘板、集流板的下端板上，组装出第一个单电池；
2.重复以上步骤，利用组装辅助定位装置把单电池整齐地叠加成电堆；
3.安装好最后的单电池后，叠上上端板部分，使用组装机施加设计好的压力将电堆压紧；
4.向电堆的进气歧管安装好气密性测试设备（此处用氮气测试），按照测试流程进行气密性检测；
5.气密性检测通过后，在保持压力的情况下，安装好螺杆（压缩力保持装置）。随后即可撤除压力，至此一个电堆就组装完毕了。
燃料电池电堆自动化组装可以参考这个电堆生产视频（这是国外某家厂商展示的自动化电堆生产机器），基本流程是一致的：
4. 燃料电池电堆模块
在实际应用中，电堆的堆栈及其他附件都是封装于一个壳体之内的，即实际应用中我们看到的成品电堆基本都是如下所示。
丰田Mirai模块
新源电堆模块
封装壳体需要注意以下几个方面的要求：
（1）壳体材料密度要小，强度要高，且易于机械加工成型。
（2）内需要考虑内部接触处，电堆的短路防护。
（3）具有一定的外界防水能力。
（4）具有一定的酸碱防腐蚀能力，且具有一定的高低温耐久性。
那么壳体内都包含哪些模块和组件呢？下面以丰田一代电堆为例进行展示，基本上电堆封装壳体内的模块都包括以下五个部分。
1、电堆堆栈本体
燃料电池电堆系统的核心，发生电化学反应以提供动力的场所。
2、堆栈与壳体的固定模块
保证堆栈与壳体牢牢地固定在一起，避免在外力载荷情况下，堆栈在壳体内发生滑动，从而影响堆栈的结构稳定性。
3、巡检模块
作为燃料电池模块中唯一的电子模块，主要用于采集燃料电池电压，同时做出简单的故障诊断（如最低单体电压报警等）。这些信息与燃料电池控制器实现交互。我们之前有一期专门介绍了巡检模块（燃料电池系统的“眼睛”：燃料电池电堆巡检（CVM））。
4、汇流排模块
该模块为燃料电池模块中高压电气部件的一部分，其主要作用是汇集电流，并通过高压接插件向外界输出电流。
5、壳体内部与大气环境的交互模块
壳体上应有开口，与大气相通，从而避免壳体内渗漏氢气的聚集；但是开口处又必须有防水功能，避免外部水分进入壳体内，导致壳体内水的冷凝聚集；另外壳体的开口应具有向外排水而外部液态水又不能进入壳体内部的功能。
各个电堆厂家的方案有所不同，有的采用防水透气膜，安装于封装壳体上，有的采用吹扫的方式，在封装壳体上开设吹扫口，通过主动吹气的方法排除壳体内部的氢气和水分。
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