下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
质子交换膜燃料电池堆通常由几十节到几百节单电池串联组成，工作状态时的电压范围通常为几十伏到几百伏。对于高压电而言，其触电防护直接关系到人身安全，主要的防护措施包括基本防护和单点失效防护。基本防护主要是零部件的防护设计，通过绝缘、遮拦或外壳设计，防止人员与带电部分直接接触。单点失效防护主要是电位均衡和绝缘电阻防护。
在电堆模块的绝缘设计中，绝缘板作为电堆绝缘结构，是质子交换膜燃料电池堆中的必要部件，其通常位于电堆集流板和端板之间，起到电堆集流板与电堆封装壳体之间绝缘作用，如图1-18所示。燃料电池堆绝缘板作为电堆的重要组成部分，除具有良好的绝缘功能外，还需要具备一定的机械强度和刚度以抵抗电堆受到冲击、振动等强载荷的影响，防止电堆模块的变形、错位及失效。同时，由于需要满足电堆供气和供液需求，至少一侧的绝缘板还需要具有反应气体和冷却液进出的腔口，因此绝缘板还应易加工、易成型，以匹配电堆模块的结构设计。
图1-18 电堆绝缘的结构及绝缘板
电堆工作时，冷却液将流经电堆集流板、绝缘板、端板。由于冷却液有一定的导电性，因此绝缘板的厚度与电堆绝缘性能密切相关，绝缘板越厚，电堆绝缘性能越好，但绝缘板体积、重量、成本都显著上升。传统的绝缘板通常采用绝缘材料加工而成，一般为平板结构。由于绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离，因此为提高功率密度，要求在保证绝缘距离（或绝缘电阻）的前提下最大化减少绝缘板厚度。然而，在传统方法中，绝缘板通常用切削或注射成型加工，在制备较薄绝缘板的过程中容易产生针孔，并且可能引入其他导电材料，造成绝缘性能降低。因此，传统的方法对绝缘板材料厚度要求较高，无法制备超薄绝缘板以满足高功率密度需求。
对于绝缘性能和功率密度之间的权衡，丰田Mirai采用了在阴极侧集流板和后端板间设置两层绝缘板的方案。该绝缘板包括第一绝缘板和第二绝缘板，且两层绝缘板均采用热塑性树脂（PET）真空成型（吹塑），这种方案能够加工更薄的绝缘板。与采用单层绝缘板相比，双层绝缘板方案可保证即使在一层绝缘板因针孔或混入导电杂质引起绝缘性能下降的情况下，另一层绝缘板可有效保证绝缘电阻，提高绝缘可靠性。此外，通过设置绝缘板壁部（接近于法向垂直，超过后端板边缘部位），可保证安全的爬电距离（爬电距离指沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径），提高电堆绝缘性。