雙極板是燃料電池電堆最主要的結構支撐件,其結構設計形成了電堆內部的氫氣、空氣和水的流動通道。作為電堆主要結構件,雙極板的厚度直接影響到電堆的功率密度,目前行業內由于膜電極技術門檻相對較高,取得突破性進展緩慢,電堆產品性能提升的發力點還主要集中在雙極板上。
燃料電池雙極板必須滿足如下性能要求:
- 結構上要起到單電池串聯作用,雙極板必須有較高電導率;
- 要隔離各個形腔的反應氣體及散熱水,雙極板氣體滲透率需要滿足要求;
- 將反應區域的熱量快速傳遞到冷卻液中,雙極板要有較高的熱導率;
- 考慮到結構強度、振動、功率密度及低溫啟動,雙極板材料的強度、密度、熱容也要滿足產品性能要求。
金屬材料的導電率和導電率較高,阻氣率以及材料強度較高,適合做更薄的極板,但材料容易腐蝕,需要專門的涂層工藝。石墨極板相對厚度較大,但材料較為穩定,在耐久性方面有一定優勢。
1 滿足活性面積要求
雙極板的設計首先要考慮滿足電堆功率的活性面積要求,如下圖左側紅框發電區域所示,活性面積區域的選擇和電堆均勻配氣區域和均勻溫度分布區域的位置密切相關,否則會對電堆耐久性產生影響。目前燃料電池功率需求不斷增大,膜電極活性面積要求越來越大,增大面積的同時要考慮模壓及沖壓等工藝能否滿足大面積極板的加工要求。
2 考慮各方面公差
此外在極板設計時要充分考慮雙極板、膜電極和密封線的尺寸公差、形位公差以及裝配過程的配合公差,合理的公差設計才能保障產品的可靠性、一致性與耐久性。如下圖所示為雙極板、密封線和膜電極的配合截面,該配合區域的合理設計對裝配性能、干濕耐久性以及活性區域占比有著重要的影響。
3 材料特性與成型工藝
雙極板設計過程要充分考慮材料特性與成型工藝,石墨極板強度相比金屬板強度較低、氣體滲透率較高,因此在極板厚度上要有安全裕量,目前一般雕刻石墨板板材最薄處至少保留0.3mm厚度,模壓板材料厚度會再薄一點。如下圖所示,左側石墨板流道底部間有較厚的材料間隔距離,而右側金屬板成型時,氫氣和空氣形腔的另一側組合成水路通道,而且極板僅0.1mm厚,比石墨雙極板單電池要薄。
4 配氣口和結構強度設計
在極板配氣入口處入口設計時,金屬板有如下兩種方式:
一種在陰極和陽極板間需有配氣隔板,結構相對復雜,豐田金屬板熱壓橡膠內部就有用于隔離氣體的隔板結構;另一種方式就是呈Z字型的配氣結構,雖然會增加密封區域寬度,但整體結構簡單。
石墨雙極板則使用穿孔的方式,利用陽極板和陰極板配合形成配氣口,結構相對簡單,這里不做圖示說明。
電堆最大功率需要有與其匹配的配氣口設計、結構強度設計,配氣口面積會影響到電池裝配數量的上限,極板結構設計對電堆裝配后各個方向的強度,此外氣體流動方向、電堆放置方向、過程工藝孔位、巡檢取電、取電板取電等因素在設計階段都要都考慮。不同廠家金屬雙極板,有三路介質進出口在同一側的設計,也有出于其它需求的不同設計方案。
5 流場介質均勻分配
在流場設計方面,空氣路、氫氣路和水路的設計要保障介質的均勻分配,合理的壓降設計要保障不同單池間的均勻分配,尤其在氫氣和空氣側還要減少液態水的影響,在流道設計方面還要考慮所匹配的發動機系統以及相對應的工作條件,對此各個廠家的設計都有不同。豐田汽車創新性使用3D流場加強水管理和空氣擴散的極板設計如下圖所示:
本田汽車改進極板的散熱能力和方式,將原有的每節單池散熱變為兩節單池使用同一散熱流場,保障散熱能力的同時提升了整電堆的功率密度。
本田汽車在極板之間增加了數值結構,促進反應介質均勻分配,同時改善零部件裝配配合性能和極板間的力學性能。
相信在今后隨著燃料電池技術的不斷進步,會有更多的創新設計涌現出來。
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原文始發于:燃料電池雙極板設計特點