燃料電池雙極板的作用結構及制造流程

 

燃料電池是通過氫氣與氧氣在燃料電池電堆內發生化學反應，將化學能轉化成電能的裝置。與傳統內燃機不同，燃料電池的電力來自氫氣與氧氣電化學反應，不涉及燃燒，生成物為水。因此，燃料電池具備零排放、高效率、低噪音等優點。

 

燃料電池電堆通常是將多個燃料電池單元以串聯的方式層疊組合，而燃料電池單元主要以兩大核心部件雙極板和膜電極串聯疊合組裝而成。燃料電池工作原理及單元結構如下：

 

 

 

 

燃料電池單元結構：雙極板和膜電極

 

燃料電池雙極板的作用與結構特點

 

雙極板成本占電堆的20——40%左右。雙極板在燃料電池電堆中主要作用為分配反應氣體、導電導熱及支撐膜電極，是燃料電池的骨架與基礎。

 

 

通常情況下雙極板由進出口、流場分配區及流場反應區組成。其中，進出口將氫氣、氧氣/空氣和冷卻液引入雙極板，為電化學反應提供工質，并通過冷卻液調整反應溫度；分配區主要將氫氣、氧氣/空氣和冷卻液均勻分配到流場反應區的流道中，為電化學反應一致性提供保障；流場反應區與膜電極均勻接觸，供給氫氣、氧氣/空氣。帶走反應產物，并進行電子及反應熱傳導，對結構一致性要求高。典型的雙極板結構圖如下所示：

 

 

 

雙極板性能要求高。從性能角度，要求雙極板材料是電與熱的良導體，具有良好的強度以及氣體致密性等，并要求雙極板在燃料電池強酸性、強電位、高濕熱工作環境下穩定運行。

 

從可加工性和經濟性角度看，雙極板要易于加工， 同時要求材料與制造成本低。目前車用燃料電池堆通常需要300-500片雙極板層疊組裝。

 

不同材質的雙極板特點及代表電堆制造企業

 

 

 

 

金屬雙極板產品的生產工藝流程主要包括沖壓階段、焊接階段、鍍膜階段和密封階段，主要流程如下：

 

 

具體生產工藝流程為：

 

 

主要生產步驟概況如下：

 

單極板沖壓：通過沖壓成形模具，在金屬薄板卷料上制備流場、三腔口及輔助結構。

 

切邊：通過沖裁模具，將飛邊、腔口多余料片切除。

 

雙極板焊接：采用高速激光焊接系統將兩片單極板焊接在一起形成雙極板，該工藝主要利用激光使焊接部位熔合而實現連接。

 

雙極板清洗：使用純水對金屬雙極板表面進行超聲波清洗，用于金屬雙極板表面雜質去除，提升表面潔凈度，為鍍層沉積進行工藝準備。

 

雙極板鍍膜：在真空鍍膜系統內，利用磁控濺射方法在雙極板表面制備導電耐蝕鍍層。

 

雙極板封裝：通過自動封裝設備，在雙極板表面預制粘接層，將密封部件放置和定位，利用粘結層實現雙極板與密封部件的連接。

 

電阻檢測：通過接觸電阻檢測設備檢測雙極板導電性能。

 

氣密檢測：在密封完成后，利用氣密性檢測設備對雙極板氫氣腔室、氧氣/空氣腔室及冷卻液腔室進行泄漏檢測，檢驗氣密性狀態。

 

出貨：進行外觀檢測，完成出廠報告，準備出貨。