我所理解的氢燃料电池(第九章：电堆-工作压力&湿度)

氢燃料电池的电堆就是多个单电池堆叠而成的一个装置，如图9-1所示，从而使燃料电池拥有较高的输出电压。图9-1 氢燃料电池电堆(百度) 那么随之而来的一个小问题就产生了，为什么要提高燃料电池输出电压？ 一般情况下，氢燃料电池单电池的工作电压在0.65V左右，那么1kw的输出功率就需要大约1500A的电流，如果电流密度按照2A/cm2计算，那么活性面积就需要750cm2，而这只是1kw的输出功率，就造成了很大的电流和很大的活性面积，氢燃料电池在汽车上的使用功率都在百kw级以上，所以将单电池串联在一起，提高了输出电压，降低了活性面积和输出电流，在使用空间和电气安全上都得到了优化。 这就会让人联想到实际生活中的两个例子，一个是高压输送，通过高压来降低电流，从而减小电力传输过程中的损失；另一个就是重卡，为了得到更高的牵引力，就得降低速度。这些情况都源于一个很重要的现实情况，功率都是额定的，即有限制。 电堆在堆叠组装过程中，为了保证电堆自身的强度、密封性及导电性，需要一定的装堆力，其大小就决定了以上的性能。 对于电堆的堆叠控制参数上，一般有两个方向，一个是控制电堆的堆芯距离，另一个就是装堆力。从胡克定律可知，距离与力是存在一定的比例关系，在这暂且把电堆堆芯距离与装堆力理解成线性关系，即电堆堆叠控制参数其实就一个。 但实际情况是电堆堆芯的弹性系数很难确认，单电芯数量众多，也无法确认堆芯距离与装堆力是否符合线性关系，所以就会有两个控制方向，控制堆芯距离不足的地方是对单电池的一致性要求特别高，很容易造成不同的电堆拥有不同的装堆力，不同的装堆力就会造成电堆的性能不一致；控制装堆力的不足就是不同的电堆拥有不同的堆芯长度，对安装空间有影响，但是拥有相同的装堆力，电堆性能的一致性得到力保证。所以目前一般都是采用控制装堆力来实现电堆的堆叠。 在推导电堆的装堆力之前，我们需要复习一下，初高中的力学知识，如图9-2所示。 图9-2 受力分析图 对于a和b来说，受力情况是否是一样的？这要分两种情况，当受力物体是刚性体时，此时a和b的受力情况是一样的；当受力物体是弹性体时，a和b受力情况也是一样的，变形量也是一样； 对于c和d来说，受力情况是否是一样的？这时的分析情况就比较复杂了，因为受力物体的数量增加了。当受力物体都是刚性体时，此时c和d的受力情况是一样的，即4个受力物体都受到了力F；当受力物体都是弹性体时，此时c和d的受力情况也是一样的，即4个受力物体都受到了力F；当受力物体是刚性体与弹性体混合时，因为排列组合的种类太多，这里就说一种情况，1是弹性体时，2、3、4是刚性体时，c和d受力情况依然是一样的，其实无论怎么排列组合，c和d的受力情况都会一样的； 以上分析结果都是基于弹性体是理想弹性体，如果考虑弹性体的分子间摩擦、黏性、结构变化、异相性等性能，那么弹性体的力传递就会产生衰减。此时，对于a和c来说，墙面受力＜F，如果墙面受力为F时，则施加在受力物体上的力要大于F；对于c和d来说，c受力是逐渐减小，d受力是从两端向中间减小。 所以在电堆实际堆叠过程中，靠近受力端的双极板与MEA受到的装堆力要大于远离受力端的双极板和MEA，电堆堆芯越长，此情况就越严重，严重时会影响电堆的性能，同时这也是为什么在拆堆时发现靠近受力端的MEA边框压痕要更明显。通过c和d的对比可知，改善这种情况的一种方法就是在电堆堆叠时，对电堆进行两端同时施加相同的装堆力。 在电堆堆芯中，弹性体有密封件和MEA，刚性体有双极板，假设双极板没有变形，那么装堆力等于密封件与MEA的弹力之和。如果按照图9-2的分析结果来看，不论堆芯中单电芯数量是多少，装堆力都是不变的。但实际中的密封件与MEA并不是理想的弹性体，所以装堆力会衰减，所以并能用单电池或短堆的装堆力来替代长电堆的装堆力。 一般可以使用压敏纸来测试装堆力衰减情况，也可以压力传感器来准确测量装堆力的衰减数值。 在电堆堆叠挤压的过程会发现一种情况，就是装堆力会随着时间衰减，这是因为密封件和MEA这两种弹性体并不是理想弹性体，力在传递过程中衰减，造成越往后的变形时间就变长，所以堆芯变形是一个缓慢的过程，如果堆芯的结构件都是刚性体，那么装堆力就不会衰减，所以电堆在施加装堆力的时候，都需要停留一会，在补偿到需要的装堆力。 此时就产生一个小问题，什么情况下装堆力再也不会随着时间减小？密封件和MEA再也不会变形或者到达了限位位置，其次是双极板不变形。 持续更新中...来源：闲村野夫