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燃料电池堆集成一体化封装结构

时间:2023-05-30 来源: 浏览:

燃料电池堆集成一体化封装结构

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车用燃料电池堆 通常由数百节电池单元堆叠组成,由封装壳体 、进气端板、承压板等集成零件提供防护和组装力 一体化封装 正逐渐成为车用大功率燃料电池堆集成的主流方法, 如丰田Mirai I、Mirai II等 。本文分享燃料电池堆一体化封装方法。

丰田第二代Mirai电堆封装箱
承担车用燃料电池堆组装过程中位移变化的受压件有密封件和膜电极。其中,燃料电池膜电极的压缩状态由 传质极化欧姆极化耐久性能 等因素共同决定 。一般,压缩率越高,传质极化越明显,接触电阻越小,衰减加快。通常,车用燃料电池堆在组装过程的压装力在数kN左右,如丰田Mirai II电堆电芯在装配过程施加约为5吨力。
丰田电堆封装结构

在压机压装后,将压紧力从压机转移至紧固装置。通常,车用燃料电池堆的紧固装置有 螺杆拉带(或拉杆)绑带 一体化 壳体 封装四种形式。其中, 前三者紧固方法相近 ,主要通过螺杆、拉带、绑带紧固件将压紧力施加在电堆两侧端板,传递至电芯进行压缩,紧固完成后再装配壳体以增强防护、密封和绝缘等功能。

绑带封装形式(Ballard)

螺杆封装形式(EKPO)

拉杆封装形式(Honda FCV Clarity)

由于螺杆、拉带和绑带封装形式可能存在结构复杂、装配效率低和塌腰失效等问题, 一体化封装 正成为目前车用金属板电堆集成的重要发展方向 。如下图所示,一体化封装方法中, 承载组装力的进气端板和承压端板在物理上直接与封装壳体连接或接触,封装壳体是承载电芯组装力的直接媒介 。此外,进气端板通常为注塑一体化端板 (将塑料绝缘板一体注塑成型在压铸金属板上),并通过螺栓与封装壳体连接。承压端板通过调节螺钉与封装壳体连接,并可在组装过程中实现压缩位移调节。

电堆一体化封装集成结构典型案例

电堆组装和一体化封装(宝马)

由于一体化封装的集成方案结构简易、成本低和可靠性高,目前在丰田、宝马和国内头部燃料电池企业已有使用案例 。据公开资料,丰田燃料电池堆集成方案由2008年 拉带封装的恒负载紧固 (带弹簧件)方式发展到第一代Mirai和第二代Mirai 一体化封装的恒位移紧固 (不带弹簧件)。

丰田Mirai II电堆结构

丰田第二代Mirai的封装壳体采用上壳体和下壳体通过 摩擦焊接 方法形成,如下图所示。其中上、下壳体使用了适用大规模量产的 压铸 方法制成,封装上壳体具有支撑和导向作用的的横梁。

丰田Mirai II封装壳体

结合一体化注塑端板和单元电池结构,一体化封装的集成方案进一步加速了大功率燃料电池堆的高度集成化。未来,随着电芯的一体模块化,燃料电池将真正做到可靠和低成本。


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