1 電堆密封 

通常,一臺燃料電池堆有幾十個甚至數(shù)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(xiàn)階段,針對燃料電池堆內(nèi)部單電池間的密封,多采用彈性體密封,即所謂的靜態(tài)密封,需要一個適當(dāng)?shù)慕M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(dá)到密封的效果?燃料電池堆的密封結(jié)構(gòu)與MEA的結(jié)構(gòu)密切相關(guān),密封的主要作用是保障電池堆在運(yùn)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(yīng)用等領(lǐng)域?為了達(dá)到較好的密封效果,需要選擇適宜的密封結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)該滿足密封功能的要求?由于被密封的介質(zhì)不同,以及設(shè)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(zhì)?

2)有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)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(zhì)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(chǎn)生污染?

6)摩擦系數(shù)小,耐磨性好;具有與密封面結(jié)合的柔軟性;耐老化性能好,經(jīng)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(yōu)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(yōu)缺點(diǎn)比較?

表2-14 幾種常用密封材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較

對橡膠密封件而言,回彈性越好?內(nèi)部應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計之外,還主要取決于橡膠材料的力學(xué)性能,主要的是取決于橡膠材料保持內(nèi)部應(yīng)力?形變復(fù)原時間的長短,即應(yīng)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(nèi)應(yīng)力不易保持,密封效果就不好?

1.3 密封結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dú)立式密封件和其他復(fù)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(kuò)散層邊緣,與MEA形成整體結(jié)構(gòu)?常采用注塑成型法形成密封結(jié)構(gòu)?由于MEA與密封是整體結(jié)構(gòu),一旦密封失效就需要更換整個MEA。

一種典型的密封結(jié)構(gòu)如圖2-35所示,首先需把預(yù)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(jié)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(dá)到良好的密封效果的同時確保與MEA結(jié)合處不受擠壓以保護(hù)MEA;b部分的弧形設(shè)計可以防止應(yīng)力集中,在a和c之間起到過渡的作用;d部分與特別設(shè)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(jié)構(gòu)

a-連接部分b-過部分c-形變部分d-延伸部分 這種密封結(jié)構(gòu)設(shè)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(dá)到優(yōu)異的密封效果?但該設(shè)計的難點(diǎn)在于選擇適宜的橡膠材料,使其在硬度?固化時間?化學(xué)穩(wěn)定性和MEA的相容性等方面達(dá)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(nèi)原位成型得到,根據(jù)成型方式不同又可分為點(diǎn)膠?注射成型;根據(jù)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(chǎn)?

圖2-36 雙極板集成式密封

（3）獨(dú)立式密封

獨(dú)立式密封是指密封組件獨(dú)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(jié)構(gòu)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(dú)立式密封組件黏結(jié)在雙極板的溝槽內(nèi)?圖2-37為一種典型的獨(dú)立式密封結(jié)構(gòu)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(dú)立式密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是密封組件加工成型相對容易,當(dāng)密封組件失效后可單獨(dú)替換,維護(hù)成本低;但缺點(diǎn)是電堆裝配過程煩瑣? 

（4）復(fù)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(jìn)行一體化密封?該種密封結(jié)構(gòu)形式,從制造工藝上看,步驟較為復(fù)雜,但它能確保極板與MEA?極板與極板之間較優(yōu)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論電壓為1.229V,但通常情況下,單節(jié)燃料電池的工作電壓設(shè)定在0.6~0.7V,為達(dá)到應(yīng)用所需的電壓和功率要求,通常將多個單電池串聯(lián)在一起組成燃料電池堆,這一串聯(lián)的過程即是電堆組裝(或封裝)?燃料電池組裝是將一定數(shù)量的膜電極?雙極板?密封原件?集流板?端板等,運(yùn)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(nèi)任何部件產(chǎn)生塑性變形或壓潰破壞的大封裝力,下限值為保證結(jié)構(gòu)密封特性(密封界面達(dá)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(shè)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(kuò)散層中嵌入深度,并同時使密封元件達(dá)到預(yù)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(guān)系?組裝力可以通過組裝機(jī)械(如油壓機(jī))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(dāng)達(dá)到平緩區(qū)即為佳的組裝力控制區(qū)?通常接觸電阻與組裝力的關(guān)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(dá)到較小狀態(tài)時對應(yīng)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(yīng)密封部分的厚度

bM2-MEA對應(yīng)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(xiàn)階段已經(jīng)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(nèi)外各燃料電池企業(yè)和整車廠如新源動力?明天氫能?Hydrogenics?Elringklinger?豐田?現(xiàn)代等,國內(nèi)科研院所如中科院大連化物所?武漢理工大學(xué)等,均采用此種緊固方式?螺栓緊固的特點(diǎn)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(dǎo)致端板受力不均的問題,嚴(yán)重時會在螺桿間部位出現(xiàn)“密封真空",發(fā)生密封不嚴(yán)的狀況?一般這種情況下,可通過優(yōu)化螺栓數(shù)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(yīng)用于石墨板電堆,國內(nèi)外燃料電池企業(yè)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,比螺栓緊固節(jié)省空間,它能夠分散鋼帶與電堆緊固處的緊壓力,避免出現(xiàn)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(jìn)的緊固技術(shù),但該組裝工藝的設(shè)計及實施較為復(fù)雜?

圖2-41 螺栓緊固

此外還有一種電堆緊固技術(shù)叫雙極板互嵌式自動緊固技術(shù)?這種緊固方式的結(jié)構(gòu)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(dá)到合格下線之前,要經(jīng)過檢測,達(dá)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(jù)?

圖2-42 鋼帶緊固