《燃料电池技术》课件-2.2.3.1.水冷质子交换膜燃料电池装堆工艺流程

氢能技术应用专业教学资源库水冷质子交换膜燃料电池

装堆工艺流程燃料电池装配生产流程图

0.物料、机器准备1.排料2.压堆3.氮气检漏4.电堆紧固8.完成无泄漏有泄漏1.5.排障0.5.涂胶固化(使用成品密封胶圈则略过)25.控制电路、外壳安装6.活化7.测V-I曲线准备物料准备好的原料、半成品零部件，具体包括MEA（含GDL）模组、BPP、后端板、拉杆（或捆扎钢带）、集流板、绝缘板等。设备机器人、组装定位治具等。说明：可替代的堆叠方式有人工堆叠、全自动供料堆叠、机械手精准定位堆叠、旋转机械手堆叠方式。3涂高温硅胶→盖离型纸→盖玻璃板→烘烤固化→揭玻板及离型纸→胶条边缘修整40.5涂密封胶并固化密封胶需要有足够强度，但又要保留一定弹性，固化时间及参数应按工艺设计进行。堆叠工艺流程图5燃料电池堆组装设备结构图端板电流收集板螺栓气/水分离阀6燃料电池组装——全自动装堆机78燃料电池电堆组装顺序此处GDL/CCM/GDL没有提前热压合为MEA组件，因此单电池分五次放置，双极板->气体扩散层->CCM->气体扩散层->双极板9燃料电池组装1——排料重复堆叠，直到预定叠加层数10燃料电池组装1——排料燃料电池组装1——排料定位排料中应使用定位技术，保证各片电池对齐：1）有助于最大化反应面积；2）公用管道内壁整齐，减少水和气的压力损失11过程参数及品质特征序号参数名称参数数值1燃料电池数量每千瓦2~10个单电池。目前常见的是每千瓦3~5片。2堆叠速度每个组件<2.3s3组件定位精度0.1mm/100µm12分类参数名称品质特征（1）每个单体电池厚度约1~2mm（和性能相关，仅供参考）（2）组装定位的精准（3）无损坏影响品质因素（1）无尘室工作环境（2）组件厚度精度：<10µm压堆工序13燃料电池组装2——压堆加压到工艺预定压力范围并保持住，进行气密测试14燃料电池组装3——气密性测试封闭气体出口，从入口按特定压力充氮气，关充气阀观察气压是否下降，下降不超工艺范围即测试通过。测试过程中压堆机压力保持不变。15使用螺栓或其他紧固件，将电堆固定并撤去压力，电堆组装完成16燃料电池组装4——电堆紧固压堆品质特征和影响因素分类参数名称品质特征（1）无破损（2）压力均匀（3）紧密性（4）每个单体1~2mm（取决于产品性能）影响品质因素压力和路径的精度：最大±2%无尘工作环境施压移动速度定位精度17两种最常见电堆紧固方法18过程参数及品质特征序号参数名称参数数值1夹紧压力约0.5~1MPa2紧固扭矩约11Nm（单电池需要的力）3固定位置在横截面区域将装置旋转至180°方便固定19分类参数名称品质特征（1）不受破坏的张力带（2）电池或端板无断裂或裂纹（3）均匀的压力分布影响品质因素（1）拧紧顺序（2）紧固扭矩（3）由于变形导致张拉不均匀（4）端板的厚度业界最常采用，通过厚重的端板将螺杆产生的点压力转换成对整个电堆均匀的应力。这种方法简单实用，但是所使用的端板占据了较大的质量和体积。20电堆紧固方式——螺杆+端板加拿大巴拉德电堆采用了比较典型的绑带式压紧方式。这种方式可以在减少端板厚度和重量的同时，使压紧力更均匀的力分布。这种紧压方法的受力面积更大，可以将压紧的力更均匀地施加在端板上。缺点：不易维修，需专用设备，绑带需抗蠕变材料，成本高21电堆紧固方式——绑带式压紧电堆紧固方式——螺杆+端板PowerCell电堆采用了比较典型的弧度端板配合绑带的压紧方式。这种电堆组装方式的特点在于使用带一定弧度的端板配合绑带实现压紧，进一步提高了电堆的紧固力的均匀性。其优点主要在于上下端板部分可以采用一定的镂空结构来实现电堆的轻量化设计。22电堆紧固方式——螺杆+端板其他紧固方法（专利文献报道）：1）卷曲束缚结构代替螺杆去压缩电堆方式能够降低螺杆带来的重量，但仍然需要厚重的端板来分散零部件周围部分受到的力。2）leafspring这种设计中，有一个带有弧度的端板向内凹并通过螺杆向电堆施加压紧力，这样的设计能够更均匀地施加应力。但是这样的设计会导致端板的体积和质量进一步增大，且端板的形式需要根据单电池片数而定制开发。3）TierodSpring方式则直接使用弹簧螺杆来进行压紧。4）压紧力液压可调型压紧方式里，需要加入一个复杂的高压液体控制设备，对商用燃料电池电堆来说不大实用。23压紧前压紧后组装需求压力F=密封件弹力F密封+膜电极弹力FMEA压堆时力量两个阶段：1）先以密封胶形变为主；2）密封胶弹力+膜电极弹力24电堆紧固力电堆紧固力膜电极弹力FMEA=膜电极压强pMEA*膜电极面积S25电堆紧固力的影响压紧力过小压紧力过大双极板接触电阻偏大流道变淺，氢气、空气、冷却液流不畅，引起耗能增加密封胶无法封住气体，燃料和氧气泄漏老化加快，寿命缩短MEA之炭布接触电阻偏大孔隙率降低，氢气和氧气的扩散受阻MEA之质子膜无影响（热压合MEA）或接触电阻偏大（未热压合）1）分解加快，产生氟化物；2）易产生裂纹或破损；2）减少吸水能力，质子输运受阻优化的紧固力通常由设计试验阶段，结合物料选用和结构设计，经综合计算并验证获得26燃料电池组装5——电路及外壳安装压好的电堆安装电压巡检模块并组装进保护壳体，得到成品电堆泄漏测试压降测试法封闭出口，入口加气压到特定值，关闭阀门，观察气压衰减设备：精密气压计流量测试法封闭出口，入口加压到特定值，稳定入口气压，观察测试气体流量设备：精密质量流量计测试气体：氮气或氦气28泄漏测试29过程参数序号参数名称参数数值1阳极氢气泄漏率最大1×10-2Pa·m³/s2阴极氧气泄漏率最高为氢气泄漏率的4倍3通入气量取决于电堆功率4试验介质气体氦气或氮气30品质特征分类参数名称品质特征（1）泄漏率（2）可重工返修的可能（3）针对整堆的泄漏测试参考国标影响品质因素（1）输气管道和进料管线的密封性（2）部件损坏（3）张拉不均匀（4）环境压力和温度（5）防尘等31测试实例32活化测试33燃料电池活化及测试平台框图活化及测试前准备将组装好带外壳（或做好绝缘防护）的电堆按预定工作姿态（立放或卧放）放置于平台上；确保绝缘安全后，接通氢气、氧气（或空气）、冷却水（仅水冷型）管路，保持阀门关闭；连接电池输出到电子负载，并连接控制及监控电路；按预定程序进行测试。注：超过30片叠加的裸堆即可造成人员触电伤亡事故！！！燃料电池的活化活化通常被认为包括以下一些过程：质子交换膜的加湿过程；物质(包含电子、质子、气体、水)传输通道的建立过程；电极结构的优化过程；提高催化层的活性和利用率。MEA中的各种通路阳极阴极导电碳纤维（聚四氟乙烯处理）碳载铂催化剂质子传导聚合物碳载铂催化剂导电碳纤维气体扩散层阳极催化剂层1~10μm质子膜~50μm阴极催化剂层1~10μm气体扩散层质子路径电子路径水气路径PTFE处理可促进排水红色字体部位为活化重点活化实施的时机类型特点常用方法作用预活化通常在PEMFC组装前进行，可以减少在线活化时间水煮、硫酸煮、蒸效果一般，非必须在线活化(放电活化)PEMFC放电产生水使MEA逐渐湿润，提高催化剂活性位点，降低内阻，提高整体性能和稳定性恒压运行、恒流运行、动态负载运行、氢泵等效果最好恢复活化使用老化或较长时间停机后，可以部分恢复PEMFC性能恒压运行、恒流运行、动态负载运行、氢泵等难以恢复如初活化分类电堆

活化预活化电极蒸煮在线

活化传统活化电压控制电流控制快速活化氢泵CO氧化剥离阴极饥饿恢复

活化预活化MEA蒸煮水煮稀硫酸煮：硫酸环境有利于利用保护磺酸基团水汽薰蒸在线活化——传统活化将电池接通水和气，电路接上电子负载，进行活化恒定电压法利用电子负载或其他方法，使电池以恒定电压输出恒定电流法利用电子负载或其他方法，使电池以恒定电流输出动态负载法利用电子负载，按预定程序变化负载，完成电池活化典型动态负载法活化流程USFCC(美国燃料电池协会)推荐的电池活化流程传统活化优点：效果好，表现稳定传统活化存在问题：耗时长，氢气消耗大在线活化——快速活化快速活化法相较传统方法能大幅减少时间和氢气消耗，但这些方法是否严重影响电池寿命尚无十分充分的证据氢泵法阴极饥饿法CO氧化剥离法氢泵法阳极气体扩散层阴极质子膜气体扩散层通入湿润的H2/N2混合气外接反向恒流源,约200mA/cm2氢分子在阳极脱电子，穿过质子膜，在阴极重新生成氢气

氢泵法——原理氢气在阳极脱电子形成氢离子，氢离子在外加电场驱使下越过质子交换膜到达阴极，电子从外电路到达阴极，在阴极重新生成氢原子并结合成分子；阳极和质子膜与实际工作很相似，并可充分润湿；阴极重新生成的氢活性很高，可通过还原清除催化剂表面的氧化层杂质；新生成的氢气增加了阴极的孔隙率与通路，扩大了阴极三相界面面积。根据现代汽车的氢泵活化的专利文档，利用该技术电堆的活化时间在35分钟内达到近100%电堆性能状态。氢泵活化的效果文献中报道的氢泵活化效果评估图片直接来源/TheLatestNews/info.aspx?itemid=265

，未找到原始出处，仅供参考短时阴极饥饿阴极饥饿活化方法是利用在缺少氧化剂的情况下短暂的拉载过程可以提高电堆性能来实现。因为在缺少氧化剂的情况下对燃料电池拉载会在阴极处产生还原条件，影响阴极性能的氧化物质被得到还原。具体实现过程是：在缺气状态下通过负载进行拉载至电压降至0V附近，然后恢复空气供应，电池电压随之恢复。该方法可用于在初始制造后的电堆快速活化，还可以用于恢复性活化。浙江锋源科技一篇专利中采用短时阴极饥饿方式对160片燃料电池电堆进行活化，氢气消耗是传统方式的1/6，时间节约60%CO吸附氧化法——论文结果用纯氢和空气100%加湿，在75摄氏度下先进行恒压0.4V传统活化4小时；断开外电路，氮气吹扫阴极30min；用CO含量0.5%的氮气吹扫阴极30min；换纯氮吹扫几分钟，将电池中未吸附的CO吹出；通入氢气和氧气利用电子负载，让输出电压在0.5V和1.0V之间以30mV/s的速度扫描三次，将吸附的CO氧化成CO2排出。至此完成一遍，重复1~5步可多次活化。资料来源/10.1016/j.jpowsour.2005.02.094CO吸附氧化法资料来源,论文配图，/10.1016