今天小編和大家一起學習一下燃料電池電堆的重要組件雙極板。(本文只針對金屬雙極板做一下簡單學習)
雙極板在哪里?
如下圖,燃料電池電堆是若干燃料電池單電池串聯疊加而來的。一個燃料電池單體由膜電極(MEA)、氣體滲透膜(GDL)、陽極板和陰極板構成。在燃料電池電堆中,陽極板和陰極板均可以看成是雙極板,通常相鄰兩個燃料電池的雙極板由一個陽極板和一個陰極板合并。
一個雙極板又有哪些部件構成呢?如下圖,通常金屬雙極板由以下五個部件構成:陽極側密封圈、陽極金屬板、陰極金屬板、焊縫、陰極側密封圈。雙極板通過將陽極金屬板和陰極金屬板焊接在一起而成,其陰極側和陽極側板的邊緣會有槽來布置密封圈,防止反應氣和冷卻液互竄,同時也防止反應氣和冷卻液外漏。陽極側密封圈和陰極側密封圈的材質相同,因此在工程中統稱雙極板密封圈。
經常說要設計雙極板,那么雙極板要設計什么呢?如下圖,雙極板包含進出口區域、反應物過渡區(反應氣分配區)、有效反應區。進出口區域包括氫氣路、空氣路和冷卻路,每一路涉及的腔體數量與三個腔體的位置無特殊要求,可以結合電堆的氫氣路、空氣路和冷卻路上公共管道的設計來確定,或者說每片電池的進出口區域組合起來就組成了公共管道。反應物過渡區(反應氣分配區)的形狀也沒有特殊的要求,這部分的設計目的是讓反應物能夠更均勻的分布在反應區內,保證電化學反應能夠均勻充分的在反應區內進行。在工程中一般會通過計算流體力學CFD對反應物過渡區和反應區進行流道優化設計。
目前的主流流道設計包括蛇形流道、平行流道、旋轉流道和網格流道等種類等。Mirai用的就是蛇形流道,而國內常見的電堆廠用的一般是平行流道(蜿蜒流道)。
在雙極板上氫氣、氧氣、冷卻液又是怎樣工作的呢?下圖中,給一片燃料電池單電池做截面,就能夠更清楚的看出他們如何流動的。從燃料電池單電池來看,兩片雙極板分別位列質子交換膜兩側,在膜的兩端流道的空間分別流過氫氣與氧氣,在雙極板中的空間流過冷卻液,對整個雙極板進行冷卻。對電堆來說,整個結構就是燃料電池電堆由若干雙極板與MEA串聯疊加而成,反應氣和冷卻液的工作方式與燃料電池單電池相同。
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