质子交换膜燃料电池电堆封装技术研究进展

赵振东,刘国庆,吴金国,张海涛,薛雨淳

(南京工程学院汽车与轨道交通学院, 江苏 南京 211167)

燃料电池因其绿色环保、效率高、可靠性高等优点,可应对全球能源短缺和环境污染等问题,成为各国政府和企业的研究热点.氢能和燃料电池技术是我国实现碳达峰及碳中和的重要举措[1-2].质子交换膜燃料电池(PEMFC)体积小、功率密度大、能量转换效率高,成为研究最多、应用最广的燃料电池之一.

由于PEMFC单电池在额定工况下电压仅有0.7～1.2 V,性能无法满足实际需求,在实际应用过程中通常将数百节单电池进行堆叠,通过串联成电堆或改变膜电极 (MEA) 面积的方式设计不同输出功率的电堆.在电堆两端需使用端板、绝缘板、集流板和封装螺栓或钢带等对电堆进行封装,确保电堆能够正常工作.

为了确保电堆能够稳定、高效地运行,需要设计合理的封装载荷大小,尽可能使电堆内部的载荷均匀分布.许多专家学者对此展开了大量的研究,并取得了一定的成果.本文就燃料电池电堆封装载荷的设计与优化及端板的轻量化设计展开综述,阐述国内外的研究成果及热点,为大型燃料电池电堆的封装研究和实际应用提供参考.

1 燃料电池封装结构类型

电堆的封装方式主要有螺栓式和绑带式.

图1 螺栓式封装电堆结构图

绑带式封装方式的体积比功率高、电堆封装结构紧凑,如图2所示,绑带封装的受力状态较难控制,但容易对封装力的大小进行控制,近些年来得到不少的应用[4];目前使用的绑带材料大部分为钢.

图2 绑带式封装电堆结构图

钢带捆扎式是一种新型端板结构[5],钢带捆扎式电堆在集成力分布的均匀性上较螺栓式更优,在金属双极板电堆上应用较多,由图3可见,与绑带式封装的对称结构相比,捆扎式封装结构的进气端板和盲端端板的结构存在显著差异,钢带捆扎式封装电堆由多根紧固钢带和端板配合封装,其双极板和膜电极间接触分布的均匀性受封装结构的尺寸和形状影响很大.

(a) 电堆结构

(b) 端板结构

2 封装载荷的施加与优化

2.1 封装载荷优化

封装载荷是燃料电池电堆正常运行的基础保障,其限制电堆内部组成部件的相对位移,保证电堆内部具有足够的接触区域.如果封装载荷过小,会导致电堆内部的接触压力过小,容易造成反应气体泄露,各组件间易产生相对滑移,内部接触电阻更大,欧姆损耗也就越大,电堆效率降低;如果封装载荷过大,易对气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)等薄弱部件造成影响,同样不利于电堆的效率和寿命.因此,设计合理的封装载荷对燃料电池电堆具有重要意义.

文献[6]建立了两单元燃料电池电堆模型,并对其力学性能进行分析,结果表明,4个螺栓位于端板边缘中间位置比位于四角位置更佳,对应的合理装配压力为1.5 MPa,且装配压力比螺栓位置对MEA压力分布的影响更大;文献[7]基于结构强度与密封要求、电堆性能和系统可靠性等方面对由20层单电池组成的电堆等效刚度模型的最佳封装力进行研究,结果表明,螺栓拧紧力矩范围受温度影响较大,封装载荷的范围有严格要求;文献[8]提出PEMFC存在最优封装载荷范围,范围由GDL的厚度决定;文献[9]分析了GDL厚度、接触面积以及杨氏模量对接触压力的影响,认为可靠性最佳的接触压力范围在1.15～2.25 MPa,并且优化封装载荷与MEA和密封件的厚度差能够提高整个电堆的可靠性;文献[10]对金属泡沫PEMFC进行研究,通过对压力分布、阻抗大小等进行测试,发现最优夹紧力为2 000 N;文献[11]对不同封装载荷下PEMFC的冷启动性能进行分析,根据PEMFC输出电压和电化学阻抗的测量结果,发现封装载荷越大,催化层与微孔层之间的含水率越小,PEMFC的冷启动性能就越好.

2.2 堆体受力均匀性

燃料电池电堆的性能除了由封装载荷大小决定以外,还会受到压力分布均匀性的影响.如果压力分布不均,则在接触压力较大区域比接触压力较小区域的电流密度大,电流密度分布不均会降低整个电堆的能量转换效率,并产生局部热点等现象,导致电堆内部部分区域的腐蚀严重,使燃料电池的寿命降低[12].因此,不仅要满足封装载荷在合理的范围,还要尽可能地满足封装载荷的均匀分布.

文献[13]分析得出10层电堆内各级单电池的MEA接触压力大小基本相同,但单个MEA内部的接触压力均匀性相差可达30.87%;文献[14]在端板厚度为30 mm的均布载荷下进行试验,研究电池1、3、15个的接触压力,结果表明,GDL的接触压力随着电池数量的增加而增加,中间电池的接触压力比靠近端板的外部电池的分布更加均匀.

文献[14]对绑带数量、厚度、分布以及端板圆角半径对MEA接触压力的影响规律进行研究,结果表明：对于车用440 mm×135 mm规格的金属极板电池,绑带数量对MEA与金属极板接触压力大小及其均匀性有显著影响,且4根和5根绑带的MEA接触压力均匀性较好;端板圆角半径增大,MEA接触压力均匀性略有降低;绑带位置分布越不均匀,MEA与金属极板接触压力均匀性越差.

其中k的值通过按键S1控制，每按下S1时，k就自增1；当k%2=0时，说明k为偶数，执行流水灯依次点亮的程序，当k%2=1时，说明k为奇数，执行流水灯4亮4灭闪烁的程序。若需要在3种状态之间切换，则对3求余即可，以此类推。

文献[15]通过在端板内部加入液压箱来增加电堆中心区域的压力,从而提高压力分布的均匀性,液压式端板结构如图4所示;文献[16]提出气动式端板结构并与传统端板进行对比,发现优化后的气动端板封装系统在重量以及GDL接触压力分布上均优于传统端板封装系统,气动式端板结构如图5所示.

图4 液压式端板

图5 气动式端板

文献[17]对比2—80层电堆的接触压力均方根值 (RMS) 及变异系数 (CV),发现6层以上电堆的RMS与CV增长缓慢,采用6层电堆模型代替80层电堆模型进行计算,结合灰狼优化算法 (GWO) 与支持向量回归 (SVR) 代理模型对端板厚度和螺栓预紧力大小进行优化,优化后的GDL接触压力大小和均匀性得到明显提高.

3 端板的轻量化设计

端板在受到封装载荷的作用下极易发生形变,对电堆内部接触压力均匀性具有直接影响.为了避免这一现象,通常要求端板有足够的强度和刚度,最常见的方法就是增加端板厚度,但这与轻量化理念背道而驰.为了避免端板的体积和质量过大对电堆性能产生影响,需要对端板进行轻量化设计.由于螺栓式封装与绑带式封装结构不同,其具体的优化方案也存在明显不同.

3.1 螺栓式封装结构端板优化

文献[18]基于现有装配工艺,通过ANSYS建立电堆的应力-应变模型,仿真结果表明,在厚度相同的情况下,采用6061T6铝合金材料端板的变形是304不锈钢材料端板的1.5倍,但重量仅为其1/3,降低电堆的装配力矩是减小端板体积和重量最有效方式;文献[19]对电堆的进气、盲端端板进行刚度最大化及电堆内部接触压力分布最均匀化的双目标拓扑优化,结果表明,端板拓扑优化的减重效果明显,但对改善电堆内部应力分布的影响较低;文献[20]基于等效刚度方法建立PEMFC的热固耦合模型,考虑到端板轻量化及电堆内部接触压力均匀化,分别采用拓扑优化和代理模型对端板结构进行设计和优化,研究结果表明,优化后的端板质量及电堆接触压力均匀性得到明显改善,端板结构如图6所示;文献[21]考虑到轻量化需求,设计出一款预弯曲的绝缘泡沫芯复合结构端板,不仅实现保温减重,还通过压力试验验证了其压力分布的均匀性.

图6 螺栓式封装结构端板拓扑优化

3.2 绑带式封装结构端板优化

对于绑带式封装结构端板,现有研究得出其最优截面为半圆形,且封装效果最好,许多学者基于该端板形状进行了研究和优化[22-23].文献[22]基于钢带与端板、端板与电池堆内部结构为无摩擦接触的假设,对端板进行拓扑优化,优化后端板的接触压力均方根和体积显著减小,说明要获得端板的最佳使用性能,应尽量减小接触面上摩擦系数;文献[23]以电堆内部位移均匀性和端板刚度为目标,对端板进行优化设计,优化后端板如图7所示.文献[24]建立了1—5根钢带数量下的端板等效梁模型,对端板厚度、钢带数量以及钢带位置进行讨论,结果表明,当钢带数量为奇数时,数字中间的钢带应位于端板的中间,从而降低端板挠度和提高接触压力的均匀性,并且可以通过使用更多数量的钢带来降低端板的厚度.

(a) 优化前

(b) 优化后

文献[5]为了解决钢带和双极板受力不均问题,设计了下倾端板,并对其进行优化,仿真结果表明优化后的端板较优化前接触压力分布更均匀.

4 试验设计与验证

为了验证数值模拟与工程实际的差异性以及对封装设计进行评价,通常采用试验的方法对数值模拟结果进行检验.对于封装电堆,主要的评价指标有电堆内部压力均匀性、电堆性能和端板质量.

4.1 接触压力均匀性验证

检验接触压力均匀性较为常见的方法有压敏膜[14-15、25-26]、压阻式传感器[27]和复写纸[28]等.

1) 压敏膜在受压时在膜表面会形成颜色,其颜色深度由受到的压力大小决定.压敏膜通常放置于GDL之间[14]、GDL与BPP之间[25]或MEA与GDL之间[15]等位置,施加相应的压力,静置一段时间后取出,通过压敏膜上的颜色深度和分布分析电堆内部的接触压力大小及分布.由于压敏膜的颜色条不够灵敏,难以提供较为精准的压力分布,通常需要将其转化为灰度图像文件以获得量化的压力分布情况,越薄的压敏膜能够获得越准确的压力分布[26].文献[26]通过试验发现干燥的MEA与湿润的MEA的接触压力存在较明显的差异,如图8所示,湿润的MEA在边缘处受到更大的压力,且由于MEA吸水后膨胀,使得其在压力最低方向发生蠕变,导致MEA出现褶皱,容易导致机械故障.

(a) 干燥MEA

(b) 湿润MEA

2) 压阻式传感器是一种薄的柔性网格设备,使用时需将其嵌入燃料电池内部.当受到力的作用时,其电阻会发生相应改变,并输出力的大小和位置的相应图像,可用于实时测量封装压力变化时燃料电池内部的接触压力分布.传感器在使用前需要对其进行归一化处理,然后进行平衡和校准后方可得到定量数据.

3) 复写纸在使用时需配合白纸使用,按照一定顺序置于燃料电池内部并进行封装.封装完成后再拆解电池,取出白纸与复写纸,对白纸表面的流道压痕进行定性分析.由图9可见,靠近螺栓位置的双极板压痕较重,离螺栓越远的双极板压痕较轻;当螺栓数量从4个增至8个后,双极板压痕的清晰度和均匀性得到显著增强.图10为不同端板厚度对双极板压痕的影响.由图10可见,随着端板厚度的增加,双极板压痕更加明显.比较不同厚度端板的电压和电流密度,可以得出燃料电池的极化性能随端板厚度的增加呈线性增加;不同厚度的端板所需的预紧力也不相同,为获得相同的电堆性能,预紧力随着端板厚度的减小而增大,螺栓扭矩的大小与端板厚度呈线性关系[28].

图9 不同螺栓数量及分布对双极板压痕影响

(a) 5 mm

(b) 8 mm

(c) 15 mm

(d) 25 mm

4.2 电堆性能

燃料电池电堆性能测试往往需要多项复杂设备的配合.文献[29]利用由燃料电池自动测试站FCATS G60与气体分析仪等设备组成的试验台对单电池的阻抗、电流、氢气与氧气的速率等进行测试,试验结果表明,当夹紧力从60 psi提升到150 psi后,欧姆电阻下降,电池性能得到相应提升.因此,提高夹紧力能够获得更佳的电池性能,且欧姆电阻是影响电池性能的主要因素.

文献[30]利用由测量子系统、温度控制子系统等组成的300W-FCT燃料电池试验站对电堆的气密性、电流密度和电阻等进行测试,结果表明,装配扭矩的增加能够获得更好的密封性能.当装配扭矩由2 N·m增至6 N·m时,电堆性能提升约21%,但当扭矩进一步增至7 N·m后,性能反而下降了约11%,这是因为虽然接触电阻降低,但GDL孔隙率受到很大影响,导致电荷转移电阻和质量传输阻力增大.因此,装配扭矩不宜过大.

文献[31]设计的PEMFC封装测试平台能够满足电堆在封装和测试过程中的压力与位移的测量和控制需求,且便于与电化学工作站等设备连接,利用该设备与测试设备配合,对电池的峰值功率、内阻和封装压力的关系进行试验分析.试验结果表明,在封装压力较低时,内阻对电池的输出性能影响最大;当封装压力较高时,由内阻降低带来的电池性能提高幅度远小于由GDL随封装压力增大导致传质特性降低带来的负面影响,峰值功率随压力的提高而下降.文献[32]基于差压法搭建了密封性能测试系统,测试系统由差压式检漏仪、被测件、夹具和气动阀门及管路组成.通过对单电池氢腔外漏、空腔外漏等7项指标进行测试,验证了其提出的一体化单电池密封性能的优越性.

4.3 其他测试

文献[33]采用压汞法,利用压汞仪测量燃料电池GDL的孔隙率,通过计算不同压力下的进汞量获取孔径分布图,GDL型号为TGP-H-060.经测试,GDL在5 N·m封装力的作用下,孔隙率由初始的75%降至62%,GDL与流道的接触区域孔隙率变化较为均匀,流道的上脊尖角域与GDL接触处的孔隙率最低,未接触区域变化不明显;孔隙率不会随封装压力的增大而持续增大,最终会趋于某个定值.

文献[27]利用光学全场测量技术(DIC)对在不同夹紧力下端板变形前后的数字图像进行比较.文献[34]通过三坐标测量机对端板的空间坐标进行测量,测试其变形情况,如图11所示.测试结果表明,端板的边缘部分受力导致端板翘曲,且翘曲程度随夹紧力的增加而增加,这也能解释电堆内部接触压力分布的不均匀性;在相同压缩比下,铝合金端板比环氧树脂端板变形小,高刚度端板有助于使压力更接近于设计值,并且分布更加均匀.

图11 端板变形情况

5 结论

本文从封装载荷的施加与优化、端板轻量化设计和试验设计与验证三个方面综述了燃料电池电堆的封装技术研究进展,旨在总结目前封装技术研究成果,为从事质子交换膜燃料电池封装技术研究的科研人员和工程师提供参考.主要结论：

1) 目前针对燃料电池封装载荷的施加与优化部分的研究已取得大量成果,但大都仅针对电堆的力学或化学等单一或部分特性,少有能做到综合其各方面性能的研究,电堆在实际运行过程中还会遇到振动、低温启动等问题,这些与装配载荷之间的关系及综合影响尚未明确,缺乏考虑到其各个特性的系统的理论设计方案,在后续的研究中应该侧重于这些方面的研究;

2) 现有的研究或产品几乎都是基于螺栓式或绑带式封装,虽然已出现一些其他方法,但相关的研究和应用较少,未来应研究出更多的封装方式以适应不同应用场景、不同结构的电堆,便于更好地对电堆进行封装;

3) 针对端板部分的优化设计已较为成熟,在其轻量化和堆体内部接触压力均匀化方面的研究也取得了很大进展,但增加端板厚度以提高堆体内部接触压力均匀性与端板轻量化以获取更高的电堆比功率想法背道而驰,需要寻找一种具有更高强度、刚度的端板材料作为替代;

4) 现有的燃料电池封装结构验证方法以静态验证为主,或试验设计和装置较为复杂,缺乏高效的试验方案,如何设计出一种全面、高效且具备动态验证能力的试验方法是未来的研究方向之一.

综上所述,燃料电池封装技术的进一步研究仍侧重于理论和试验.在理论方面,需对燃料电池的多物理场耦合特性进行深入研究,发现其在封装和应用过程中的动态特性,设计出合理的装配载荷及封装结构;在试验方面,需提出一套通用的试验设计方法,以更好地对理论研究进行验证.设计出一套规范且标准的理论与试验方法,对促进质子交换膜燃料电池的发展和工业化进程、降低研发和制造成本具有非常重要的现实意义.