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燃料电池双极板的作用结构及制造流程

2022-08-09 15:24:34

燃料电池双极板工作原理与结构

燃料电池是通过氢气与氧气在燃料电池电堆内发生化学反应,将化学能转化成电能的装置。与传统内燃机不同,燃料电池的电力来自氢气与氧气电化学反应,不涉及燃烧,生成物为水。因此,燃料电池具备零排放、高效率、低噪音等优点。

燃料电池电堆通常是将多个燃料电池单元以串联的方式层叠组合,而燃料电池单元主要以两大核心部件双极板和膜电极串联叠合组装而成。燃料电池工作原理及单元结构如下:


燃料电池电堆工作原理

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燃料电池单元结构:双极板和膜电极

燃料电池双极板的作用与结构特点

双极板成本占电堆的20~40%左右。双极板在燃料电池电堆中主要作用为分配反应气体、导电导热及支撑膜电极,是燃料电池的骨架与基础。

通常情况下双极板由进出口、流场分配区及流场反应区组成。其中,进出口将氢气、氧气/空气和冷却液引入双极板,为电化学反应提供工质,并通过冷却液调整反应温度;分配区主要将氢气、氧气/空气和冷却液均匀分配到流场反应区的流道中,为电化学反应一致性提供保障;流场反应区与膜电极均匀接触,供给氢气、氧气/空气。带走反应产物,并进行电子及反应热传导,对结构一致性要求高。典型的双极板结构图如下所示:


典型燃料电池双极板结构

双极板性能要求高。从性能角度,要求双极板材料是电与热的良导体,具有良好的强度以及气体致密性等,并要求双极板在燃料电池强酸性、强电位、高湿热工作环境下稳定运行。

从可加工性和经济性角度看,双极板要易于加工, 同时要求材料与制造成本低。目前车用燃料电池堆通常需要300-500片双极板层叠组装。

不同材质的双极板特点及代表电堆制造企业

金属双极板的工艺流程图

金属双极板产品的生产工艺流程主要包括冲压阶段、焊接阶段、镀膜阶段和密封阶段,主要流程如下:

具体生产工艺流程为:

主要生产步骤概况如下:

单极板冲压:通过冲压成形模具,在金属薄板卷料上制备流场、三腔口及辅助结构。

切边:通过冲裁模具,将飞边、腔口多余料片切除。

双极板焊接:采用高速激光焊接系统将两片单极板焊接在一起形成双极板,该工艺主要利用激光使焊接部位熔合而实现连接。

双极板清洗:使用纯水对金属双极板表面进行超声波清洗,用于金属双极板表面杂质去除,提升表面洁净度,为镀层沉积进行工艺准备。

双极板镀膜:在真空镀膜系统内,利用磁控溅射方法在双极板表面制备导电耐蚀镀层。

双极板封装:通过自动封装设备,在双极板表面预制粘接层,将密封部件放置和定位,利用粘结层实现双极板与密封部件的连接。

电阻检测:通过接触电阻检测设备检测双极板导电性能。

气密检测:在密封完成后,利用气密性检测设备对双极板氢气腔室、氧气/空气腔室及冷却液腔室进行泄漏检测,检验气密性状态。

出货:进行外观检测,完成出厂报告,准备出货。


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