燃料電池基礎(chǔ)培訓

燃料電池基礎(chǔ)培訓資料燃料電池項目編寫者：王曉青日期：/12第1頁燃料電池原理

燃料電池是將外部供給燃料和氧化劑中化學能經(jīng)過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其它反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)電裝置。如右圖所表示：

燃料電池主要由正極、負極、電解質(zhì)和輔助設(shè)備組成。燃料電池電堆是有多個單體電池、隔板、冷卻板、歧管等組成，而且把富氫氣體和空氣進行電化學反應(yīng)生成直流電，并同時產(chǎn)生熱、水等其它副產(chǎn)品。其中，燃料電池單體電池，簡稱單電池，單電池分氫側(cè)和氧側(cè)兩部分。氫側(cè)和氧側(cè)經(jīng)過一片質(zhì)子交換膜隔絕，防止它們直接接觸。經(jīng)過質(zhì)子交換膜催化劑和基材上微孔能夠使氫氣和氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，反應(yīng)方程式下：2H2+O2→2H2O

氧因為得到氫電荷，所以帶正極；氫失去電荷,所以帶負極。

第2頁燃料電池優(yōu)點發(fā)電效率高；環(huán)境污染小；比能量高；噪音低；燃料范圍廣；負荷調(diào)整靈活，可靠性高；易于建設(shè)。

注：參加電極反應(yīng)單位質(zhì)量電極材料放出電能大小。第3頁燃料電池類型1質(zhì)子交換膜電池堿性燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池磷酸燃料電池直接甲醇型燃料電池固體氧化物燃料電池燃料電池AFCPAFCSOFCDMFCMCFCPEMFC第4頁燃料電池類型2燃料電池類型質(zhì)子交換膜燃料電池堿性燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池英文縮寫PEMFCAFCPAFCMCFCSOFC電解質(zhì)無腐蝕有腐蝕有腐蝕有腐蝕無腐蝕電極碳過渡金屬碳鎳和氧化鎳鈣鈦礦和鈣鈦礦-金屬陶瓷催化劑鉑鉑鉑電極材料電極材料燃料氫氣氫氣氫氣天然氣天然氣氧化劑氧氣純氧氧氣氧氣氧氣工作溫度60~8060~100100~200600~700900~1000發(fā)電效率40%-60%45%-60%35%-60%45%-60%50%-60%開啟時間幾分鐘幾分鐘2-4h＞10h＞10h

我們現(xiàn)在使用PEMFC，原因是因為PEMFC含有電解質(zhì)無腐蝕性，能夠不使用純氧作為氧化劑，工作溫度較低，開啟時間快等優(yōu)點。第5頁燃料電池單電池膜電極

膜電極又稱MEA，全稱是MembraneElectrodeAssembly，是燃料電池關(guān)鍵組成部分，它有利于產(chǎn)生分離電子所需電化學反應(yīng)。在陽極一側(cè)，氫氣在膜上擴散形成質(zhì)子，并在陰極端經(jīng)過氧化劑(氧或空氣)結(jié)合，并接收與燃料分離電子。每一邊催化劑都能產(chǎn)生反應(yīng)，而薄膜只允許質(zhì)子經(jīng)過，同時保持氣體分離。經(jīng)典是由質(zhì)子交換膜(PEM)、兩個催化劑層(Catalyst)和兩個氣體擴散層(GDL)五層組成。這種配置因為它組成方式而被稱為5層MEA。膜電極組裝另一個形式是三層，它由一個聚合物電解質(zhì)薄膜組成，將催化劑層涂覆于兩面，分別為陽極和陰極。以下列圖:

因為，五層MEA是規(guī)格都是固定，小批量下供給商不會幫忙制作成我們要求形狀和尺寸，所以，下面主要講是由質(zhì)子交換膜(PEM)和兩個催化劑層(Catalyst)組成三層MEA單電池和電堆設(shè)計，這種MEA也叫已涂覆催化劑膜（CatalystCoatedMembrane）。第6頁燃料電池單電池質(zhì)子交換膜

為了使PEM燃料電池運轉(zhuǎn)，需要一個質(zhì)子交換膜來將氫離子，質(zhì)子，從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，而不傳遞從氫原子中移出電子。這些聚合物膜在膜上傳導質(zhì)子，但對氣體含有相當不透性，用作各種電化學應(yīng)用固體電解質(zhì)(與液體電解質(zhì))，通常被稱為質(zhì)子交換膜和/或聚合物電解質(zhì)膜(PEM)。這些膜已確定關(guān)鍵部件之一,不一樣消費者對燃料電池相關(guān)應(yīng)用,如汽車、后備電源,便攜式電動等。因為其許多消費者市場,申請技術(shù)繼續(xù)演變,使這些膜適合長時間,甚至高溫操作。對于PEM燃料電池和電解液應(yīng)用，一個聚合物電解質(zhì)薄膜被夾在陽極電極和陰極電極之間。在電化學反應(yīng)過程中，陽極氧化反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子和電子;陰極還原反應(yīng)將質(zhì)子和電子與氧化劑結(jié)合起來產(chǎn)生水。為了完成電化學反應(yīng)，質(zhì)子交換膜飾演著主要角色，使質(zhì)子從陽極到陰極經(jīng)過薄膜。質(zhì)子交換膜也作為分離在燃料電池和電解槽中陽極和陰極分離物。慣用膜品牌包含杜邦(Dupont)和戈爾(Gore)。因為膜價格非常高，所以通常情況下設(shè)計單電池尺寸時必須考慮膜裁切損耗問題，盡可能不浪費太多膜。

*采購時候要尤其注意要采購已涂覆催化劑膜，不然可能會買來是光膜。

*使用氫氣必須是≥99.99%高純度氫氣，且有氫氣或氧氣流經(jīng)任何區(qū)域使用材料必須是TA1、316L不銹鋼、石墨或部分塑膠等極難被氧化腐蝕材料，不然可能會污染膜上催化劑。第7頁燃料電池單電池氣體擴散層

氣體擴散層(GDL)是各種燃料電池關(guān)鍵組成部分。在燃料電池中，這種薄而多孔材料能夠提供高導電性和導熱性和耐化學耐蝕性，另外還要控制適當反應(yīng)物氣體(氫和空氣)流動，并在膜電極總成(MEA)中管理水運輸。這一層還必須控制壓縮性，以支持來自電堆裝配時外部力量，另外還能夠作為氫氧側(cè)通道，以限制流體流動。另外在不一樣條件下還有其它用途。GDL是一個催化劑層和石墨板之間連接橋梁。氣體擴散層功效能夠歸納為以下幾點：

1.氣體從流道到膜之間擴散通道；

2.幫助除去催化劑層外水，預(yù)防其水淹；

3.在表面保持一些水經(jīng)過膜導電性；

4.在單電池間進行熱傳遞；

5.幫助提供足夠機械強度來控制因吸收水而引發(fā)擴張。通常使用炭紙作為氣體擴散層，炭紙分帶多孔PTFE層炭紙和不帶多孔PTFE層炭紙。通常情況下氫氣側(cè)靠近膜一面使用帶PTFE層炭紙，PTFE面貼在膜上，能夠幫助氫氣更加好擴散到膜上，同時留住膜表面水分。多孔PTFE層也稱填平層，所以，帶多孔PTFE層炭紙也叫填平層炭紙。2和3條看此矛盾，其實是因為膜表面是需要一定水份來幫助反應(yīng)，不過一旦水量過大則會影響反應(yīng)，所以在單電池中水管理是燃料電池非常主要也非常難一個課題。另外，GDL還能夠使用多孔金屬網(wǎng)板來代替，Ballard就是采取多孔金屬網(wǎng)板，一些國內(nèi)企業(yè)有仿制過這種方式。第8頁燃料電池單電池石墨板結(jié)構(gòu)

右圖所表示為燃料電池石墨板結(jié)構(gòu)：

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，電接觸良好，耐腐蝕，易于加工和裝配。缺點：石墨板成本較高，體積大，裝配時輕易碎裂或折斷。

序號名稱材質(zhì)作用1氫側(cè)石墨板柔性石墨板氫側(cè)極板2硅膠硅膠氫氣密封3氫側(cè)流道炭紙不帶PTFE層炭紙水和氫氣流道4氫側(cè)炭紙帶PTFE層炭紙氫氣擴散5質(zhì)子交換膜底膜加催化劑氫氧質(zhì)子交換6硅膠圈硅橡膠氫氣密封7氧側(cè)炭紙不帶PTFE層炭紙氧氣擴散8氧側(cè)石墨板透氣硬石墨板氧側(cè)極板12345678第9頁燃料電池單電池金屬板結(jié)構(gòu)

右圖所表示為燃料電池金屬板結(jié)構(gòu)：

優(yōu)點：重量輕，體積小，材料不易損壞。缺點：金屬板和波紋板表面需要經(jīng)過焊接、涂炭或在金屬板和波紋板之間墊柔性石墨紙等方法來增加導電性，被腐蝕風險加大。

序號名稱材質(zhì)作用1氫側(cè)金屬板316L/TA1氫側(cè)極板2硅膠硅膠氫氣密封3氫側(cè)流道炭紙不帶PTFE層炭紙水和氫氣流道4氫側(cè)炭紙帶PTFE層炭紙氫氣擴散5質(zhì)子交換膜底膜加催化劑氫氧質(zhì)子交換6硅膠圈硅橡膠氫氣密封7氧側(cè)炭紙不帶PTFE層炭紙氧氣擴散8氧側(cè)波紋板316L/TA1氧側(cè)極板12345678第10頁燃料電池單電池雙極板結(jié)構(gòu)

右圖所表示為燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)：

序號名稱材質(zhì)說明1雙極板316L/TA1/不透氣硬石墨板氫氧側(cè)雙極板2硅膠硅膠氫氣密封3氫側(cè)炭紙帶PTFE層炭紙氫氣擴散4質(zhì)子交換膜底膜加催化劑氫氧質(zhì)子交換5硅膠圈硅橡膠氫氣密封6氧側(cè)炭紙不帶PTFE層炭紙氧氣擴散123456第11頁燃料電池單電池雙極板結(jié)構(gòu)

右圖所表示為風冷燃料電池雙極板，其中上圖為氫側(cè)流道，下列圖為氧側(cè)流道。氫側(cè)流道負責氫氣和水流動，氧側(cè)流道負責氧氣流動同時帶走電堆熱量。

雙極板結(jié)構(gòu)關(guān)鍵改良是雙極板，既是氫側(cè)極板又是氧側(cè)極板，能夠完全忽略氫氧側(cè)極板之間接觸導電問題。雙極板材料能夠是石墨材料，石墨材料必須使用不透氣硬石墨板，以免氫氣透過石墨板流到氧氣側(cè)去。所以成本較高，硬石墨板易破損或折斷。為了降低成本，能夠?qū)㈦p極板分成兩塊，氫側(cè)使用不透氣硬石墨板，氧側(cè)用透氣硬石墨板，中間使用一層柔性石墨板確保導電性。也能夠使用金屬材料，金屬材料分316L和TA1，能夠經(jīng)過CNC或蝕刻形成外形。表面依然需要經(jīng)過涂炭確保導電性。另外，在雙極板氫側(cè)刻流道也省去了氫側(cè)流道炭紙。

第12頁燃料電池單電池雙路雙極板結(jié)構(gòu)1

右圖所表示為燃料電池風冷雙路氣體電堆單電池。

雙路氣體單電池結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是增加了獨立氧側(cè)雙極板，能夠完全忽略獨立供給氧氣，而不需要繼續(xù)使用散熱流道來供給氧氣。

123456789序號名稱材質(zhì)作用1氧側(cè)密封圈1硅橡膠氧氣密封2氫側(cè)石墨板柔性石墨板氫側(cè)極板3硅膠硅膠氫氣密封4氫側(cè)炭紙帶PTFE層炭紙氫氣擴散5質(zhì)子交換膜底膜加催化劑氫氧質(zhì)子交換6硅膠圈硅橡膠氫氣密封7氧側(cè)炭紙不帶PTFE層炭紙氧氣擴散8氧側(cè)密封圈2硅橡膠氧氣密封9氧側(cè)石墨板透氣硬石墨板氧側(cè)極板第13頁燃料電池單電池雙路雙極板結(jié)構(gòu)2右圖由上至下分別為燃料電池風冷雙路氣體電堆氫側(cè)石墨板正反面和氧側(cè)石墨板正面。其中，氫側(cè)石墨板材料必須使用不透氣硬石墨板，以免氫氣透過石墨板泄露。氧側(cè)石墨板則可以使用透氣硬石墨板。氫側(cè)石墨板正面流道負責氫氣進出，背面流量負責冷卻風進出；氧側(cè)石墨板流道負責氧氣進出。通常情況下，氫氣和氧氣是從相對流入，使氫氧氣能形成對沖，能增強氫氧氣充分反應(yīng)。一方面氧氣來源于空氣，空氣中氧氣含量只有21%，而氫氣則是供給高純度氫氣。其次氧原子遠比氫原子大。所以氧氣口口徑遠大于氫氣口。另外，氫側(cè)石墨板和氧側(cè)石墨板可以使用金屬材料，金屬材料分316L和TA1，可以經(jīng)過蝕刻或CNC形成外形。表面依然需要經(jīng)過涂炭來確保導電性。

第14頁燃料電池單電池水冷雙路雙極板結(jié)構(gòu)1

右圖是水冷雙路雙極板單電池結(jié)構(gòu)：

12345678910序號名稱材質(zhì)作用1氧側(cè)石墨板透氣硬石墨板氧氣流道2氧側(cè)密封墊硅膠氧側(cè)密封3氧側(cè)炭紙不帶PTFE層炭紙氧氣擴散4質(zhì)子交換膜底膜加催化劑氫氧質(zhì)子交換5氫側(cè)炭紙帶PTFE層炭紙氫氣擴散6氫側(cè)密封墊硅膠氫氣密封7氫側(cè)石墨板不透氣硬石墨板氫氣和冷卻液流道8冷卻液密封墊硅膠冷卻液密封9柔性石墨板柔性石墨板輔助氧側(cè)石墨板和氫側(cè)石墨板之間接觸10硅膠圈硅橡膠氫氣密封第15頁燃料電池單電池水冷雙路雙極板結(jié)構(gòu)2右圖由上至下分別是水冷雙路雙極板單電池氧側(cè)石墨板，氫側(cè)石墨板氫側(cè)流道和氫側(cè)石墨板冷卻液流道：因為相比風冷雙路雙極板結(jié)構(gòu)，水冷結(jié)構(gòu)需要額外增加冷卻液進出液口。因為冷卻液不是空氣可以排到空氣中，而是需要與外部冷卻系統(tǒng)進行循環(huán)。所以需要額外考慮冷卻液密封。由于氫氣、氧氣和冷卻液均實現(xiàn)了設(shè)計密封，所以水冷電堆相比風冷電堆可以更方便防水結(jié)構(gòu)應(yīng)用在雨水豐富環(huán)境，甚至水下使用。其次冷卻液溫度是可以控制，在高溫環(huán)境下也可以維持一個穩(wěn)定溫度冷卻液散熱可以做更好更溫穩(wěn)定，且沒有風機噪音。此外，可以使用一片柔性石墨板墊在氫側(cè)和氧側(cè)石墨板之間。因為氫側(cè)和氧側(cè)均是硬石墨板，所以熱和電接觸均不是最好，所以使用一片柔性石墨板可以用來幫助它們進行熱和電接觸。

第16頁燃料電池單電池雙路和單路電堆區(qū)分和應(yīng)用

雙路氣體電堆與單路電堆相比，首先擁有獨立氧氣流道，跟散熱流道去分開，氫側(cè)流道負責氫氣和水流動，氧側(cè)流道負責氧氣流動，散熱風道只負責散熱。相比單路電堆，雙路氣體電堆還克服了單路電堆無法在高海拔或低溫環(huán)境下使用缺點。因為單路電堆氧側(cè)風道同時需要進行散熱和供氧，而在高海拔下，因為空氣中氧氣稀薄，且溫度很低，所以假如風機風量使用太大，則可能會造成電堆溫度過低，性能下降；而假如風機風量使用較小，則可能造成電堆供氧不足，一樣造成性能下降。所以能夠廣泛用于無人機或高海拔地域使用。不過單路氣體相比雙路氣體，也有易于生產(chǎn)，易于測試，成本低優(yōu)點。除此之外，還有一個單電池結(jié)構(gòu)是經(jīng)過護卡膜將膜和炭紙經(jīng)過熱燙或粘結(jié)方式封裝起來為一個組件單電池結(jié)構(gòu)，使膜和炭紙成為一個模組，方便安裝，且能夠大大提升了質(zhì)子交換膜使用率。假如采購催化劑或者購置催化劑配方專利自行調(diào)配催化劑，并采購光膜，能夠經(jīng)過控制來指定催化劑在光膜上噴涂區(qū)域，也能夠到達大大提升了質(zhì)子交換膜使用率效果。

第17頁燃料電池單電池有效面積和額定功率計算

按下列圖，以單路氣體單電池舉例：單電池有效面積計算是去掉點膠區(qū)域，而且與進出氣口內(nèi)側(cè)相切區(qū)域，以下列圖橙色矩形區(qū)域。然后計算這個矩形面積S0(cm2)后，再依據(jù)膜平均電流密度i(A/cm2)，便能夠計算出這片單電池額定電流I0(A)=S0×i。再依據(jù)單層單電池額定電壓U0(V)和電堆單電池數(shù)量n2，便能夠得出電堆額定功率位：P(W)=U0×I0×n2

通常情況下，設(shè)計燃料電池都是依據(jù)需要額定電壓和功率來計算和推導需要有效面積。第18頁燃料電池單電池加工和裝配工藝

柔性石墨板、膜和炭紙常規(guī)是按整張或整卷形式采購，通常使用環(huán)氧樹脂板經(jīng)過雕刻機制作需要尺寸模板，然后使用手術(shù)刀經(jīng)過模板對膜和炭紙進行裁切，大批量生產(chǎn)時也能夠采取刀模制作。超大批量生產(chǎn)時能夠要求供給約定制尺寸，包含膜上催化劑尺寸。

硬石墨板和金屬雙極板常規(guī)是按整張形式采購，再使用雕刻機進行制作，大批量時能夠直接開模具生產(chǎn)。

金屬板常規(guī)是按整卷形式采購，小批量時使用線切割方式進行制作，大批量時能夠使用蝕刻方法，最終涂炭和烘烤。

波紋板是采購整卷金屬板，先使用連續(xù)沖壓模方式加工，再經(jīng)過線切割方式切割刀需要尺寸和外形，最終涂炭和烘烤。在完成單電池制作后，需要進行組裝，先使用工裝將氫側(cè)極板和GDL放置到正確位置，再使用點膠機進行點膠，然后蓋上膜和炭紙，接著用硅膠粘上硅膠圈，最終用烘烤爐烘干硅膠。最常規(guī)耗材是硅膠，已知慣用是德國瓦克(Wacker)ELASTOSIL?E43，通常使用點膠機點膠，不過偶然進行手工補膠和點硅膠圈等工作時需要使用一次性針筒來進行。另外，硅膠圈小批量時能夠使用道康寧鉑金硫化硅膠管進行切割，詳細方法是使用一根尺寸適當尼龍棒從硅膠管中間穿過，然后使用一臺微型車床來切割。量產(chǎn)時能夠開模制作。另外密封件慣用材料除了硅膠外還能夠使用三元乙丙（EPDM）。

通常情況下，為了提升生產(chǎn)效率，企業(yè)應(yīng)該配置微型車床、雕刻機和點膠機，并擁有能操作工人。工具方面，一次性針筒和手術(shù)刀是最慣用工具。其中手術(shù)刀非常尖銳，使用時一定要注意安全，底下要墊防割墊確保不會損壞桌面和刀片。

第19頁燃料電池單電池加工和裝配工藝

燃料電池單電池工裝：工裝我們常叫點膠模板，以下列圖。點膠模板式由一塊基板和兩個定位銷組成。其中基板是使用環(huán)氧樹脂板來雕刻成型，上面兩個安裝孔是用來固定在點膠機上使用。而定位銷普通采取標準件，經(jīng)過壓接、點膠等方式與基板連接。單電池經(jīng)過點膠模板進行組裝和點膠等工序。有時候也能夠設(shè)計成一套模板幾套單電池一起組裝和點膠結(jié)構(gòu)來提升效率。

第20頁燃料電池單電池單路電堆1

下列圖是經(jīng)典風冷單路電堆爆炸圖

下端板下絕緣板下導電板上導電板上絕緣板單電池組絕緣套管絲桿上端板風機板風機風機罩出線圈進出氣接口第21頁燃料電池單電池單路電堆2

下列圖是風冷單路電堆爆炸圖主要零部件清單和說明

序號名稱材質(zhì)說明1下端板鋁合金電堆底板，全部單電池將加蓋到上面2下絕緣板環(huán)氧樹脂用于隔絕下導電板和下端板，不讓它們導通3下導電板紫銅用于導出電堆里輸出電能4單電池組NA多片單電池堆疊組合5上導電板紫銅用于導出電堆里輸出電能6上絕緣板環(huán)氧樹脂用于隔絕上導電板和上端板，不讓它們導通7上端板鋁合金電堆上蓋板，當全部單電池安裝完成后再蓋上8絲桿不銹鋼用于鎖緊電堆9絕緣套管塑料預(yù)防絲桿和單電池之間接觸10進出氣接頭316L用于氫氣加注和排放11風機板鋁合金用于安裝風機，并作為電堆外殼12出線圈橡膠用于正負極線引出，也能夠使用兩個接線柱13風機NA用于電堆散熱和給電堆提供氧氣14風機罩不銹鋼用于預(yù)防有異物不慎接觸到風機葉片，造成葉片被堵轉(zhuǎn)第22頁燃料電池單電池單路電堆3

由之前爆炸圖和清單能夠看出，電堆是由多片單電池堆疊而成，這也是電堆這個名稱由來。因為單電池兩側(cè)分別是正負極，所以安裝時一定不能裝反，造成內(nèi)部短路，同時單電池不能與除上下導電板外其它任何金屬物接觸，以免短路。所以如上下端板和絲桿必須要使用絕緣層隔離。依據(jù)電堆堆疊方式，能夠看出電堆里單電池是串聯(lián)連接，所以，每片單電池電流和總電流都是相等，總電壓是每片單電池電壓總和。

*在單電池設(shè)計時，單電池能夠增加一些定位部件與絕緣套管或者單電池之間進行定位，以提升單電池堆疊時裝配準確度和效率。絲桿作用是鎖緊電堆，使內(nèi)部單電池緊實，可提升單電池之間導電性，不過也不是無限壓緊，普通是經(jīng)過壓機調(diào)整一個固定壓力進行壓緊后再擰緊絲桿，壓機壓力依據(jù)電堆片數(shù)和面積不一樣需要進行計算和調(diào)整。壓機操作時也需要依據(jù)電堆頂部形狀制作一個壓板，墊在壓機和電堆之間，預(yù)防壓機壓壞絲桿或其它部件。下端板是絲桿安裝孔是螺紋孔，以方便絲桿固定和定位，上端板是通孔，以方便絲桿穿出和鎖定。另外，還會在電堆氧側(cè)波紋板或氧側(cè)石墨板中貼一個溫度傳感器：鉑熱電阻PT1000，以此來實時監(jiān)控電堆溫度，依據(jù)溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過程序?qū)崟r調(diào)整水冷或風冷系統(tǒng)。

第23頁燃料電池電堆裝配工藝

電堆裝配步驟以下：

1.將絲桿和絕緣套管安裝到下端板上；

2.依次安裝下絕緣板和下導電板；

3.安裝和堆疊單電池；

4.依次安裝上導電板和上絕緣板；

5.安裝上端板；

6.安裝螺母和氫氣接頭；

7.安裝鉑熱電阻；

8.安裝接線柱并焊線（假如使用接線柱）；

9.安裝風機板（假如是風冷電堆）。

因為除了上下端板能夠經(jīng)過絲桿和絕緣套管定位外，其它包含絕緣板、導電板和單電池都缺乏定位，安裝時輕易發(fā)生錯位問題，能夠在絕緣板、導電板和單電池雙極板或金屬板邊緣伸展出一個定位孔，經(jīng)過絕緣套管來作定位，方便安裝。參見右圖所表示。也有在單電池內(nèi)插長圓棒來定位，待上端板安裝完成后再拆卸方式來定位。用螺母固定電堆時，底下需要使用平墊圈和彈簧墊圈，來確保電堆不會因為振動而松開。

第24頁燃料電池電堆加工工藝

上下端板通常使用鋁合金經(jīng)過CNC方式來加工，材料也可以換成進口環(huán)氧樹脂板。而如果量產(chǎn)開模則可以考慮尼龍加重玻纖。*因為環(huán)氧樹脂板是層片結(jié)構(gòu)，不過因為國內(nèi)環(huán)氧樹脂板結(jié)構(gòu)致密度不夠，可能會發(fā)生氫氣泄露問題，而進口環(huán)氧樹脂板不會有這個問題，不過價格比鋁合金更貴，所以除非電堆有重量要求，不然都是采取鋁合金。上下絕緣板采取環(huán)氧樹脂板經(jīng)過CNC方式來加工。上下導電板采取線切割方式，材料為黃銅或者紫銅。絲桿采購成品整根絲桿，根據(jù)需求進行裁切，在一些較小電堆，因為絲桿最小尺寸時M3，所以如果是M2.5，需要采購φ2.5不銹鋼棒材來加工螺紋。絕緣套管采取成品塑料管按需求長度，經(jīng)過割管器或者車床進行裁切，材料包括PC、PVC、尼龍等塑料材料，一些較小電堆還可以使用熱縮管。風機板則是使用鋁合金經(jīng)過CNC和鈑金折彎來加工，在新電堆測試時候也可以使用三塊環(huán)氧樹脂板降臨時使用。

第25頁燃料電池電堆氫氣接頭選擇

氫氣接頭管路必須使用316L不銹鋼或者有RoHS或FDA認證塑膠材質(zhì)接頭，常規(guī)使用接頭包含快速接頭、卡套接頭和寶塔接頭（又稱竹節(jié)接頭）。因為氫氣是極易泄露氣體，所以選擇接頭時需要使用有專業(yè)品牌和認證合格產(chǎn)品。其中，快速接頭推薦CPC（ColderProductsCompany）；卡套接頭推薦世偉洛克（Swagelok）或者派克漢尼汾（Parker）；寶塔接頭沒有尤其推薦標準品供給商，通常是依據(jù)自己需求進行設(shè)計和加工，但其對應(yīng)使用軟管推薦道康寧（DowCorning）或SAINT-GOBAINTygon系列。

*使用錐螺紋密封時需要纏生料帶，使用直螺紋密封時需要加O型圈，以確保氫氣密封。

*通常未完成減壓前氫氣普通都使用卡套接頭連接方式。

第26頁燃料電池電堆減振結(jié)構(gòu)設(shè)計

右圖是一款Ballard電堆：能夠看到在電堆頂端有三個圓形模塊，這就是Ballard碟形彈簧模組。其內(nèi)部是多塊碟形彈簧墊圈組成，用途以下：

1.壓緊電堆內(nèi)單電池，以免熱脹冷縮造成內(nèi)部單電池之間過松或者過緊。

2.減振，防止運輸和使用時電堆不會因為振動造成螺栓松動。通慣用于單電池較多，體積較大電堆，對振動要求較高設(shè)計，一些國內(nèi)企業(yè)也有仿制了這種設(shè)計電堆。右下角小圖是碟形彈簧模組內(nèi)部大致結(jié)構(gòu)，由多片碟形彈簧墊圈（藍色）相互疊加，來吸收公差和增加緩沖。

碟形彈簧模組第27頁燃料電池電堆單電池檢測結(jié)構(gòu)

按右圖所表示：單電池金屬板上延伸出一個觸點，穿過上方單電池檢測PCB板連接口，然后經(jīng)過焊接或其它方式連接金屬板和單電池檢測PCB板，這么PCB板便能夠?qū)崟r檢測單電池性能。一旦出現(xiàn)單電池故障，能夠很快發(fā)覺，確定是哪塊單電池，同時也能夠報警通知用戶。

單電池檢測PCB板也能夠和電堆控制板進行整合，成為一塊PCB板。單電池檢測PCB板第28頁燃料電池常規(guī)測試1

常規(guī)燃料電池測試包含以下幾個：

1.泄漏測試：使用氮氣通入燃料電池中，提供過保壓測試檢驗燃料電池是否漏氣，假如有漏氣，能夠采取水檢方法，即將整個燃料電池電堆放入純凈水中，并完全浸沒，經(jīng)過氣泡判斷哪里有泄漏。對于管閥路泄漏測試則可使用氫氣報警器和檢漏液來檢測各接頭和連接點，以讀數(shù)確定是否有泄露；另外在使用氮氣檢漏時也能夠簡單用刷肥皂水來檢測。所以一些檢漏工具是必備，幾個能夠放入不一樣尺寸電堆水箱、流量計、壓力表、氫氣報警器、毛刷。

2.形式測試：包含高低溫、振動、沖擊、高海拔、加速度、跌落、鹽霧、穩(wěn)定、EMC等測試，依據(jù)產(chǎn)品需要進行選擇適當測試標準和測試方法。普通這種都是由專業(yè)檢測機構(gòu)或者企業(yè)進行和并提供相關(guān)檢測匯報，也能夠以此來作產(chǎn)品認證，如CCC、FCC、TUV、CE、UL等。另外，從節(jié)約成本和時間角度來考慮，如高低溫測試、穩(wěn)定性測試和跌落測試是能夠先進行自檢，相關(guān)試驗環(huán)境也輕易搭建，需要采購一臺高低溫箱。

3.性能測試：使用氫氣、氧氣和冷卻液通入燃料電池中，經(jīng)過不一樣氫氣、氧氣和冷卻液配比確定最正確性能，并判斷最正確性能是否滿足要求。相關(guān)工具包含一套完整測試設(shè)備，其中氮氣、氫氣供給，負載等是必須具備。

4.壽命測試：經(jīng)過長久不間斷運行燃料電池電堆，查看性能在什么時候開始出現(xiàn)衰變或者是否會顯著衰變。

進行壽命測試時，需要有專門測試人員，兩班或三班倒對電堆進行測試和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且氫氣供給也不能斷。第29頁燃料電池常規(guī)測試2

其中性能測試，尤其是新電堆是最復雜。

測試單路氣體電堆時，需要經(jīng)過調(diào)整氫氣流量和壓力以及風機轉(zhuǎn)速來調(diào)試電堆到最正確性能；測試風冷雙路氣體電堆時，需要經(jīng)過調(diào)整氫氣流量和壓力、氧氣（空氣）流量和風機轉(zhuǎn)速來調(diào)試電堆到最正確性能；測試水冷雙路氣體電堆時，需要經(jīng)過調(diào)整氫氣流量和壓力、氧氣（空氣）流量和水冷系統(tǒng)泵參數(shù)來調(diào)整電堆到最正確性能。所謂最正確狀態(tài)是，其實是電堆溫度、氫氣流量和壓力、散熱系統(tǒng)冷卻液流量（或風量）和冷卻液壓力（或風壓）共同決定。所以，單路氣體電堆比雙路氣體電堆更輕易進行測試并調(diào)試到電堆最正確性能，而雙路氣體測試因為有三個參數(shù)需要調(diào)整，會復雜很多。第30頁燃料電池生產(chǎn)廠房布局示意圖一般小批量生產(chǎn)燃料電池廠房可分為：加工車間；烘干車間；生產(chǎn)車間；測試車間；質(zhì)檢車間；包裝車間。除此之外還有氫氣房、原材料倉庫和成品倉庫。其中，氫氣房和測試車間因為長久有氫氣流經(jīng)，是非常危險區(qū)域，所以一方面這些車間是禁止任何明火，其次需要做好通風和換氣工作。此外，全部作業(yè)員不論裝配還是測試必須穿好防靜電服、防靜電鞋和除靜電手環(huán)操作，以免身上帶電荷擊傷電堆。

第31頁燃料電池生產(chǎn)流程圖點膠模板制作炭紙、膜裁等切模板制作以及石墨板雕刻壓機壓板制作點膠程序調(diào)試炭紙、膜等裁切單電池組裝單電池點膠單電池烘烤電堆組裝電堆壓制，擰螺母焊線安裝接線柱安裝風機板安裝風機電堆測試質(zhì)量檢驗包裝發(fā)貨控制器組裝控制器測試加工車間單電池組裝車間測試車間質(zhì)檢和物流車間不合格合格第32頁燃料電池硼氫化鈉制氫簡述1

下列圖為氫氣發(fā)生器原理圖：

主要部件分燃料桶，反應(yīng)器和汽水分離器三大塊。經(jīng)過硼氫化鈉和水反應(yīng)制氫制氫，反應(yīng)方程式：NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2

所以，燃料桶內(nèi)部儲存是硼氫化鈉、少許氫氧化鈉和水按百分比調(diào)和混合溶液。經(jīng)過空氣泵將溶液導入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)含填滿催化劑，經(jīng)過反應(yīng)器外部加熱片加熱，使內(nèi)部溶液經(jīng)過反應(yīng)器時與催化劑發(fā)生反應(yīng)，最終生成氫氣、水和廢液。絕大部分廢液會積聚在反應(yīng)罐底部，經(jīng)過換向閥排放。依然有小部分廢液和水因為溫度關(guān)系依然處于汽態(tài)，所以需要經(jīng)過冷卻管使它們成為液態(tài)。進入汽水分離器后這些液態(tài)廢液和水將經(jīng)過換向閥排放。而最終經(jīng)過過濾器純凈氫氣將經(jīng)過減壓閥減壓后進入電堆。其中，減壓閥前段壓力要求4~6bar，所以空氣泵和換向閥等需要滿足相關(guān)要求。

第33頁燃料電池硼氫化鈉制氫簡述2

因為燃料和廢液腐蝕性，所以因為要求壓力為4~6bar，所以氫氣泵能夠使用是不接觸管內(nèi)溶液蠕動泵，經(jīng)過耐壓性能最好道康寧鉑金硫化硅膠管來實現(xiàn)蠕動。原理見下列圖。而換向閥則是一樣使用不接觸管內(nèi)溶液夾管閥來實現(xiàn)。因為保壓需要，所以換向閥是不能常開，在反應(yīng)器和汽水分離器底部都有液位傳感器，當?shù)撞恳后w液位過高，可能會影響氫氣發(fā)生器工作時才進行快速一次性排放。

第34頁燃料電池其它注意事項

1.燃料電池假如需要成為一套完整系統(tǒng)，還需要燃料電池DCDC、燃料電池配電柜、燃料電池冷卻系統(tǒng)（風冷或水冷）、燃料電池控制器（軟件和硬件）、燃料電池供氫系統(tǒng)（鋼瓶供氫系統(tǒng)或化學制氫系統(tǒng)）等相互配合才能實現(xiàn)。2.除了上述氫氣燃料電池電堆外，還有甲醇燃料電池電堆，固體燃料電池電堆等。3.燃料電池電堆因為單電池內(nèi)部各原材料厚度存在公差，所以燃料電池總長是非常不準確，比如Hydrogenics30kW電堆公差到達了±15mm，所以在設(shè)計時需要充分考慮這個問題。4.氫氣發(fā)生器除了經(jīng)過硼氫化鈉制氫外，一些大功率電堆需要經(jīng)過甲醇重整制氫方式。5.電堆除了經(jīng)過氫氣發(fā)電電堆，還有一個水電解制氫電堆，即加注水進電堆，經(jīng)過電堆內(nèi)部反應(yīng)生成氫氣。

6.電堆在使用過程中會隔一段時間進行一次短路和氫氣排氣，來調(diào)整單電池中水分，使電堆性能穩(wěn)定，在這個時候性能會有一次瞬間大幅下降和恢復過程。

7.推薦兩個燃料電池網(wǎng)站：、和，這是一個專業(yè)做燃料電池網(wǎng)購網(wǎng)站，除了能夠購置燃料電池成品和物料，還有各種燃料電池成品和物料介紹、相關(guān)性能指標、售價等可供參考，很多都有PDF能夠下載。

第35頁附件1：燃料電池慣用英文簡稱解釋

簡稱全稱漢字FCFuelCell燃料電池PEMProtonExchangeMembrane質(zhì)子交換膜MEAMembraneElectrodeAssembly膜電極FCPPFuelCellPowerPlant燃料電池發(fā)電廠PEMFCProtonExchangeMembraneFuelCell質(zhì)子交換膜燃料電池FCEFuelCellEnergy燃料電池能源CTECoefficientofThermalExpansion熱膨脹系數(shù)GDLGasDiffusionLayer氣體擴散層CCMContinuousConduc