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1、燃料电池基础培训资料燃料电池项目编写者：王晓青日 期：2017/12燃料电池原理 燃料电池是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。 如右图所示： 燃料电池主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。 燃料电池电堆是有多个单体电池、隔板、冷却板、歧管等构成，而且把富氢气体和空气进行电化学反应生成直流电，并同时产生热、水等其他副产品。 其中，燃料电池的单体电池，简称单电池，单电池分氢侧和氧侧两部分。氢侧和氧侧通过一片质子交换膜隔绝，避免它们直接接触。通过质子交换膜的催化剂和基材上的微孔可以使氢气和氧气发生化学反应，反应方程式下：2H2+O22H2
2、O 氧因为得到氢的电荷，所以带正极；氢失去氧因为得到氢的电荷，所以带正极；氢失去电荷电荷,所以带负极。所以带负极。 燃料电池优点 发电效率高发电效率高； 环境污染小环境污染小； 比能量高比能量高； 噪音低噪音低； 燃料范围广燃料范围广； 负荷调节灵活负荷调节灵活，可靠性高可靠性高； 易于建设易于建设。 注：参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小。燃料电池类型1质子交换膜电池碱性燃料电池熔融碳酸盐燃料电池磷酸燃料电池直接甲醇型燃料电池固体氧化物燃料电池燃料电池AFCPAFCSOFCDMFCMCFCPEMFC燃料电池类型2燃料电池类型燃料电池类型质子交换膜燃料电池碱性燃料电池磷酸燃料电池熔
3、融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文缩写PEMFCAFCPAFCMCFCSOFC电解质无腐蚀有腐蚀有腐蚀有腐蚀无腐蚀电极碳过渡金属碳镍和氧化镍钙钛矿和钙钛矿-金属陶瓷催化剂铂铂铂电极材料电极材料燃料氢气氢气氢气天然气天然气氧化剂氧气纯氧氧气氧气氧气工作温度6080601001002006007009001000发电效率40%-60%45%-60%35%-60%45%-60%50%-60%启动时间几分钟几分钟2-4h10h10h 我们现在使用的PEMFC，原因是因为PEMFC具有电解质无腐蚀性，可以不使用纯氧作为氧化剂，工作温度较低，启动时间快等优点。燃料电池单电池膜电极 膜电极又称MEA，全
4、称是Membrane Electrode Assembly，是燃料电池的核心组成部分，它有助于产生分离电子所需的电化学反应。在阳极的一侧，氢气在膜上扩散形成质子，并在阴极端通过氧化剂(氧或空气)结合，并接收与燃料分离的电子。每一边的催化剂都能产生反应，而薄膜只允许质子通过，同时保持气体的分离。 典型的是由质子交换膜质子交换膜(PEM)、两个催化剂层两个催化剂层(Catalyst)和两个气体扩散层两个气体扩散层(GDL)五层组成。这种配置由于它的组成方式而被称为5层MEA。膜电极组装的另一种形式是三层，它由一种聚合物电解质薄膜组成，将催化剂层涂覆于两面，分别为阳极和阴极。如下图: 因为，五层ME
5、A是的规格都是固定的，小批量下供应商不会帮忙制作成我们要求的形状和尺寸，因此，下面主要讲的是由质子交换膜质子交换膜(PEM)和两个催化剂层两个催化剂层(Catalyst)组成的组成的三层MEA的单电池和电堆的设计，这种MEA也叫已涂覆催化剂的膜（Catalyst Coated Membrane）。燃料电池单电池质子交换膜 为了使PEM燃料电池运转，需要一个质子交换膜来将氢离子，质子，从阳极转移到阴极，而不传递从氢原子中移出的电子。这些聚合物膜在膜上传导质子，但对气体具有相当的不透性，用作各种电化学应用的固体电解质(与液体电解质)，通常被称为质子交换膜和/或聚合物电解质膜(PEM)。这些膜已确定
6、的关键部件之一,不同的消费者对燃料电池的相关应用,如汽车、后备电源,便携式电动等。由于其许多消费者市场,申请技术继续演变,使这些膜适合长时间,甚至高温操作。 对于PEM燃料电池和电解液应用，一种聚合物电解质薄膜被夹在阳极电极和阴极电极之间。在电化学反应过程中，阳极氧化反应产生质子和电子;阴极的还原反应将质子和电子与氧化剂结合起来产生水。为了完成电化学反应，质子交换膜扮演着重要的角色，使质子从阳极到阴极通过薄膜。质子交换膜也作为分离在燃料电池和电解槽中的阳极和阴极的分离物。 常用的膜品牌包括杜邦(Dupont)和戈尔(Gore)。 因为膜的价格非常高，所以通常情况下设计单电池尺寸时必须考虑膜的裁
7、切损耗问题，尽量不浪费浪费太多的膜。 *采购的时候要特别注意要采购已涂覆催化剂的膜，不然可能会买来的是光膜。 *使用的氢气必须是99.99%的高纯度氢气的高纯度氢气，且有氢气或氧气流经的任何区域使用的材料必须是TA1、316L不锈钢、石墨或部分塑胶等极难被氧化腐蚀的材料，不然可能会污染膜上的催化剂。燃料电池单电池气体扩散层 气体扩散层(GDL)是各种燃料电池的关键组成部分。在燃料电池中，这种薄而多孔的材料可以提供高的导电性导电性和导热性导热性和耐耐化学耐蚀性化学耐蚀性，此外还要控制适当的反应物气体(氢和空气)的流动，并在膜电极总成(MEA)中管理水的运输。这一层还必须控制压缩性，以支持来自电堆
8、装配时的外部力量，此外还可以作为氢氧侧的通道，以限制流体的流动。此外在不同条件下还有其它用途。GDL是一种催化剂层和石墨板之间的连接桥梁。 气体扩散层的功能可以归纳为以下几点： 1.气体从流道到膜之间的扩散通道； 2.帮助除去催化剂层外的水，防止其水淹； 3.在表面保持一些水通过膜的导电性； 4.在单电池间进行热传递； 5.帮助提供足够的机械强度来控制因吸收水而引起的扩张。 通常使用炭纸作为气体扩散层，炭纸分带多孔PTFE层炭纸和不带多孔PTFE层炭纸。通常情况下氢气侧靠近膜的一面使用带PTFE层炭纸，PTFE面贴在膜上，可以帮助氢气更好的扩散到膜上，同时留住膜表面的水分。 多孔PTFE层也称
9、填平层填平层，因此，带多孔PTFE层炭纸也叫填平层炭纸。 2和3条看此矛盾，其实是因为膜的表面是需要一定的水份来帮助反应的，但是一旦水量过大则会影响反应，所以在单电池中水的管理水的管理是燃料电池非常重要也非常难的一个课题。 此外，GDL还可以使用多孔金属网板来代替，Ballard就是采用多孔金属网板，一些国内公司有仿制过这种方式。燃料电池单电池石墨板结构 右图所示为燃料电池石墨板结构： 优点：结构简单，电接触良好，耐腐蚀，易于加工和装配。 缺点：石墨板成本较高，体积大，装配时容易碎裂或折断。 序号序号名称名称材质材质作用作用1氢侧石墨板柔性石墨板氢侧极板2硅胶硅胶氢气密封3氢侧流道炭纸不带PT
10、FE层炭纸水和氢气流道4氢侧炭纸带PTFE层炭纸氢气扩散5质子交换膜底膜加催化剂氢氧质子交换6硅胶圈硅橡胶氢气密封7氧侧炭纸不带PTFE层炭纸氧气扩散8氧侧石墨板透气硬石墨板氧侧极板12345678燃料电池单电池金属板结构 右图所示为燃料电池金属板结构： 优点：重量轻，体积小，材料不易损坏。 缺点：金属板和波纹板表面需要通过焊接、涂炭或在金属板和波纹板之间垫柔性石墨纸等方法来增加导电性，被腐蚀风险加大。 序号序号名称名称材质材质作用作用1氢侧金属板316L/TA1氢侧极板2硅胶硅胶氢气密封3氢侧流道炭纸不带PTFE层炭纸水和氢气流道4氢侧炭纸带PTFE层炭纸氢气扩散5质子交换膜底膜加催化剂氢氧
11、质子交换6硅胶圈硅橡胶氢气密封7氧侧炭纸不带PTFE层炭纸氧气扩散8氧侧波纹板316L/TA1氧侧极板12345678燃料电池单电池双极板结构 右图所示为燃料电池双极板结构： 序号序号名称名称材质材质说明说明1双极板316L/TA1/不透气硬石墨板氢氧侧双极板2硅胶硅胶氢气密封3氢侧炭纸带PTFE层炭纸氢气扩散4质子交换膜底膜加催化剂氢氧质子交换5硅胶圈硅橡胶氢气密封6氧侧炭纸不带PTFE层炭纸氧气扩散123456燃料电池单电池双极板结构 右图所示为风冷燃料电池双极板，其中上图为氢侧流道，下图为氧侧流道。氢侧流道负责氢气和水的流动，氧侧流道负责氧气的流动同时带走电堆的热量。 双极板结构核心改良
12、是双极板，既是氢侧极板又是氧侧极板，可以完全忽略氢氧侧极板之间的接触导电问题。 双极板材料可以是石墨材料，石墨材料必须使用不透气硬石墨板，以免氢气透过石墨板流到氧气侧去。因此成本较高，硬石墨板易破损或折断。 为了降低成本，可以将双极板分成两块，氢侧使用不透气硬石墨板，氧侧用透气硬石墨板，中间使用一层柔性石墨板确保导电性。 也可以使用金属材料，金属材料分316L和TA1，可以通过CNC或蚀刻形成外形。表面依然需要通过涂炭确保导电性。 此外，在双极板的氢侧刻流道也省去了氢侧流道炭纸。 燃料电池单电池双路双极板结构1 右图所示为燃料电池风冷双路气体电堆的单电池。 双路气体的单电池结构核心是增加了独立
13、的氧侧双极板，可以完全忽略独立供应氧气，而不需要继续使用散热流道来供应氧气。 123456789序号序号名称名称材质材质作用作用1氧侧密封圈1硅橡胶氧气密封2氢侧石墨板柔性石墨板氢侧极板3硅胶硅胶氢气密封4氢侧炭纸带PTFE层炭纸氢气扩散5质子交换膜底膜加催化剂氢氧质子交换6硅胶圈硅橡胶氢气密封7氧侧炭纸不带PTFE层炭纸氧气扩散8氧侧密封圈2硅橡胶氧气密封9氧侧石墨板透气硬石墨板氧侧极板燃料电池单电池双路双极板结构2 右图由上至下分别为燃料电池风冷双路气体电堆的氢侧石墨板的正反面和氧侧石墨板的正面。 其中，氢侧石墨板材料必须使用不透气硬石墨板，以免氢气透过石墨板泄露。氧侧石墨板则可以使用透气
14、硬石墨板。 氢侧石墨板的正面流道负责氢气的进出，背面的流量负责冷却风的进出；氧侧石墨板的流道负责氧气的进出。 通常情况下，氢气和氧气是从相对流入的，使氢氧气能形成对冲，能增强氢氧气的通常情况下，氢气和氧气是从相对流入的，使氢氧气能形成对冲，能增强氢氧气的充分反应。充分反应。 一方面氧气来源于空气，空气中的氧气含量只有21%，而氢气则是供应的高纯度氢气。另一方面氧原子远比氢原子大。所以氧气口的口径远大于氢气口氧气口的口径远大于氢气口。 另外，氢侧石墨板和氧侧石墨板可以使用金属材料，金属材料分316L和TA1，可以通过蚀刻或CNC形成外形。表面依然需要通过涂炭来确保导电性。 燃料电池单电池水冷双路
15、双极板结构1 右图是水冷双路双极板单电池结构： 12345678910序序号号名称名称材质材质作用作用1氧侧石墨板透气硬石墨板氧气流道2氧侧密封垫硅胶氧侧密封3氧侧炭纸不带PTFE层炭纸氧气扩散4质子交换膜底膜加催化剂氢氧质子交换5氢侧炭纸带PTFE层炭纸氢气扩散6氢侧密封垫硅胶氢气密封7氢侧石墨板不透气硬石墨板氢气和冷却液流道8冷却液密封垫硅胶冷却液密封9柔性石墨板柔性石墨板辅助氧侧石墨板和氢侧石墨板之间的接触10硅胶圈硅橡胶氢气密封燃料电池单电池水冷双路双极板结构2 右图由上至下分别是水冷双路双极板单电池的氧侧石墨板，氢侧石墨板氢侧流道和氢侧石墨板冷却液流道： 因为相比风冷双路双极板结构，
16、水冷结构需要额外增加冷却液进出液口。 因为冷却液不是空气可以排到空气中，而是需要与外部冷却系统进行循环。因此需要额外考虑冷却液的密封。 由于氢气、氧气和冷却液均实现了设计密封，因此水冷电堆相比风冷电堆可以更方便的防水结构应用在雨水丰富的环境，甚至水下使用。 另一方面冷却液的温度是可以控制的，在高温环境下也可以维持一个稳定温度的冷却液散热可以做的更好更温稳定，且没有风机的噪音。 此外，可以使用一片柔性石墨板垫柔性石墨板垫在氢侧和氧侧石墨板之间。因为氢侧和氧侧均是硬石墨板，所以热和电的接触均不是最好，所以使用一片柔性石墨板可以用来帮助它们进行热和电的接触热和电的接触。 燃料电池单电池双路和单路电堆
17、的区别和应用 双路气体电堆与单路电堆相比，首先拥有独立的氧气流道，跟散热流道去分开，氢侧流道负责氢气和水的流动，氧侧流道负责氧气的流动，散热风道只负责散热。 相比单路电堆，双路气体电堆还克服了单路电堆无法在高海拔或低温环境下使用的缺点。 因为单路电堆的氧侧风道同时需要进行散热和供氧，而在高海拔下，因为空气中氧气稀薄，且温度很低，因此如果风机风量使用太大，则可能会导致电堆温度过低，性能下降；而如果风机风量使用较小，则可能导致电堆供氧不足，同样导致性能下降。因此可以广泛用于无人机或高海拔地区使用。 但是单路气体相比双路气体，也有易于生产，易于测试，成本低的优点。 除此之外，还有一种单电池结构是通过
18、护卡膜护卡膜将膜和炭纸通过热烫或粘结的方式封装起来为一个组件的单电池结构，使膜和炭纸成为一个模组，方便安装，且可以大大提高了质子交换膜的使用率。 如果采购催化剂或者购买催化剂配方专利自行调配催化剂，并采购光膜，可以通过控制来指定催化剂在光膜上的喷涂区域，也可以达到大大提高了质子交换膜的使用率的效果。 燃料电池单电池有效面积和额定功率计算 按下图，以单路气体单电池举例： 单电池有效面积的计算是去掉点胶区域，并且与进出气口内侧相切的区域，如下图橙色矩形区域。 然后计算这个矩形面积S0(cm2)后，再根据膜的平均电流密度i(A/cm2)，便可以计算出这片单电池的额定电流I0(A)=S0i。 再根据单
19、层单电池的额定电压U0(V)和电堆单电池数量n2，便可以得出电堆的额定功率位：P(W)=U0I0n2 通常情况下，设计燃料电池都是根据需要的额定电压和功率来计算和推导需要的有效面积的。燃料电池单电池加工和装配工艺 柔性石墨板、膜和炭纸柔性石墨板、膜和炭纸常规是按整张或整卷的形式采购的，通常使用环氧树脂板通过雕刻机制作需要尺寸的模板，然后使用手术刀通过模板对膜和炭纸进行裁切，大批量生产时也可以采用刀模制作。超大批量生产时可以要求供应商定制尺寸，包括膜上催化剂的尺寸。 硬石墨板和金属双极板硬石墨板和金属双极板常规是按整张的形式采购的，再使用雕刻机进行制作，大批量时可以直接开模具生产。 金属板金属板
20、常规是按整卷的形式采购的，小批量时使用线切割方式进行制作，大批量时可以使用蚀刻的方法，最后涂炭和烘烤。 波纹板波纹板是采购整卷金属板，先使用连续冲压模的方式加工，再通过线切割方式切割刀需要的尺寸和外形，最后涂炭和烘烤。 在完成单电池制作后，需要进行组装，先使用工装工装将氢侧极板和GDL放置到正确的位置，再使用点胶机进行点胶，然后盖上膜和炭纸，接着用硅胶粘上硅胶圈，最后用烘烤炉烘干硅胶。 最常规的耗材是硅胶硅胶，已知常用的是德国瓦克(Wacker)的ELASTOSIL E43，通常使用点胶机点胶，但是偶尔进行手工补胶和点硅胶圈等工作时需要使用一次性针筒来进行。 此外，硅胶圈硅胶圈小批量时可以使用
21、道康宁的铂金硫化硅胶管进行切割，具体方法是使用一根尺寸合适的尼龙棒从硅胶管中间穿过，然后使用一台微型车床来切割。量产时可以开模制作。此外密封件常用的材料除了硅胶外还可以使用三元乙丙（三元乙丙（EPDM）。 通常情况下，为了提高生产效率，公司应该配备微型车床微型车床、雕刻机雕刻机和点胶机点胶机，并拥有能操作的工人。工具方面，一次性针筒一次性针筒和手术刀手术刀是最常用工具。其中手术刀非常锋利，使用时一定要注意安全注意安全，底下要垫防割垫防割垫确保不会损坏桌面和刀片。 燃料电池单电池加工和装配工艺 燃料电池单电池的工装： 工装我们常叫点胶模板点胶模板，如下图。 点胶模板式由一块基板和两个定位销组成。
22、其中基板是使用环氧树脂板来雕刻成型，上面的两个安装孔是用来固定在点胶机上使用的。而定位销一般采用标准件，通过压接、点胶等方式与基板连接。 单电池通过点胶模板进行组装和点胶等工序。有时候也可以设计成一套模板几套单电池一起组装和点胶的结构来提高效率。 燃料电池单电池单路电堆1 下图是典型的风冷单路电堆的爆炸图 下端板下绝缘板下导电板上导电板上绝缘板单电池组绝缘套管丝杆上端板风机板风机风机罩出线圈进出气接口燃料电池单电池单路电堆2 下图是风冷单路电堆的爆炸图的主要零部件清单和说明 序号序号名称名称材质材质说明说明1下端板铝合金电堆的底板，所有单电池将加盖到上面2下绝缘板环氧树脂用于隔绝下导电板和下端
23、板，不让它们导通3下导电板紫铜用于导出电堆里输出的电能4单电池组NA多片单电池堆叠组合5上导电板紫铜用于导出电堆里输出的电能6上绝缘板环氧树脂用于隔绝上导电板和上端板，不让它们导通7上端板铝合金电堆的上盖板，当所有单电池安装完毕后再盖上8丝杆不锈钢用于锁紧电堆9绝缘套管塑料防止丝杆和单电池之间接触10进出气接头316L用于氢气的加注和排放11风机板铝合金用于安装风机，并作为电堆外壳12出线圈橡胶用于正负极线引出，也可以使用两个接线柱13风机NA用于电堆散热和给电堆提供氧气14风机罩不锈钢用于防止有异物不慎接触到风机叶片，导致叶片被堵转燃料电池单电池单路电堆3 由之前的爆炸图和清单可以看出，电堆
24、是由多片的单电池堆叠而成，这也是电堆这个名称的由来。 因为单电池的两侧分别是正负极，所以安装时一定不能装反，导致内部短路，同时单电池不能与除上下导电板外其它任何金属物接触，以免短路。因此如上下端板和丝杆必须要使用绝缘层隔离。 根据电堆的堆叠方式，可以看出电堆里的单电池是串联串联连接的，因此，每片单电池的电流和总电流都是相等，总电压是每片单电池电压的总和。 *在单电池设计时，单电池可以增加一些定位部件与绝缘套管或者单电池之间进行定位，以提高单电池堆叠时的装配准确度和效率。 丝杆的作用是锁紧电堆，使内部的单电池紧实，可提高单电池之间的导电性，但是也不是无限压紧，一般是通过压机压机调整一个固定的压力
25、进行压紧后再拧紧丝杆，压机的压力根据电堆片数和面积的不同需要进行计算和调整。 压机操作时也需要根据电堆顶部的形状制作一个压板，垫在压机和电堆之间，防止压机压坏丝杆或其它部件。 下端板是丝杆安装孔是螺纹孔，以方便丝杆的固定和定位，上端板是通孔，以方便丝杆穿出和锁定。 此外，还会在电堆的氧侧波纹板或氧侧石墨板中贴一个温度传感器：铂热电阻PT1000，以此来实时监控电堆的温度，根据温度数据通过程序实时调整水冷或风冷系统。 燃料电池电堆的装配工艺 电堆的装配步骤如下： 1.将丝杆和绝缘套管安装到下端板上； 2.依次安装下绝缘板和下导电板； 3.安装和堆叠单电池； 4.依次安装上导电板和上绝缘板； 5.
26、安装上端板； 6.安装螺母和氢气接头； 7.安装铂热电阻； 8.安装接线柱并焊线（如果使用接线柱）； 9.安装风机板（如果是风冷电堆）。 因为除了上下端板可以通过丝杆和绝缘套管定位外，其它包括绝缘板、导电板和单电池都缺乏定位，安装时容易发生错位的问题，可以在绝缘板、导电板和单电池的双极板或金属板边缘伸展出一个定位孔，通过绝缘套管来作定位，方便安装。参见右图所示。 也有在单电池内插长圆棒来定位，待上端板安装完成后再拆卸的方式来定位。 用螺母固定电堆时，底下需要使用平垫圈和弹簧垫平垫圈和弹簧垫圈圈，来保证电堆不会因为振动而松开。 燃料电池电堆的加工工艺 上下端板上下端板通常使用铝合金通过CNC的方
27、式来加工，材料也可以换成进口的环氧树脂板。而如果量产开模则可以考虑尼龙加重玻纤。 *因为环氧树脂板是层片结构，但是因为国内的环氧树脂板结构致密度不够，可能会发生氢气泄露的问题，而进口的环氧树脂板不会有这个问题，但是价格比铝合金更贵，所以除非电堆有重量要求，不然都是采用铝合金。 上下绝缘板上下绝缘板采用环氧树脂板通过CNC的方式来加工。 上下导电板上下导电板采用线切割的方式，材料为黄铜或者紫铜。 丝杆丝杆采购成品的整根丝杆，根据需求进行裁切，在一些较小的电堆，因为丝杆最小尺寸时M3的，所以如果是M2.5，需要采购2.5的不锈钢棒材来加工螺纹。 绝缘套管绝缘套管采用成品的塑料管按需求的长度，通过割
28、管器或者车床进行裁切，材料包括PC、PVC、尼龙等塑料材料，一些较小的电堆还可以使用热缩管。 风机板风机板则是使用铝合金通过CNC和钣金折弯来加工，在新电堆测试的时候也可以使用三块环氧树脂板来临时使用。 燃料电池电堆的氢气接头选择 氢气的接头管路必须使用316L不锈钢或者有RoHS或FDA认证的塑胶材质的接头，常规使用的接头包括快速接头快速接头、卡套接头卡套接头和宝塔接头宝塔接头（又称竹节接头）。 因为氢气是极易极易泄露的气体，所以选择接头时需要使用有专业品牌和认证的合格产品。其中，快速接头推荐CPC（Colder Products Company）；卡套接头推荐世伟洛克（Swagelok）或
29、者派克汉尼汾（Parker）；宝塔接头没有特别推荐标准品供应商，通常是根据自己的需求进行设计和加工，但其对应使用的软管推荐道康宁（Dow Corning）或SAINT-GOBAIN的Tygon系列。 *使用锥螺纹密封时需要缠生料带生料带，使用直螺纹密封时需要加O型圈型圈，以确保氢气的密封。 *通常未完成减压前的氢气一般都使用卡套接头连接的方式。 燃料电池电堆减振结构设计 右图是一款Ballard的电堆： 可以看到在电堆顶端有三个圆形模块，这就是Ballard的碟形弹簧模组。 其内部是多块碟形弹簧垫圈组成，用途如下： 1.压紧电堆内的单电池，以免热胀冷缩导致内部单电池之间过松或者过紧。 2.减振
30、，避免运输和使用时电堆不会因为振动导致螺栓松动。 通常用于单电池较多，体积较大的电堆，对振动要求较高的设计，一些国内公司也有仿制了这种设计的电堆。 右下角的小图是碟形弹簧模组内部大致的构造，由多片碟形弹簧垫圈碟形弹簧垫圈（蓝色）相互叠加，来吸收公差和增加缓冲。 碟形弹簧模组燃料电池电堆单电池检测结构 按右图所示： 单电池金属板上延伸出一个触点，穿过上方的单电池检测单电池检测PCB板板的连接口，然后通过焊接或其它方式连接金属板和单电池检测PCB板，这样PCB板便可以实时检测单电池的性能。 一旦出现单电池故障，可以很快发现，确定是哪块单电池，同时也可以报警告知用户。 单电池检测PCB板也可以和电堆
31、控制板进行整合，成为一块PCB板。单电池检测PCB板燃料电池常规测试1 常规的燃料电池测试包括如下几种： 1.1.泄漏测试：泄漏测试：使用氮气通入燃料电池中，提供过保压测试检查燃料电池是否漏气，如果有漏气，可以采用水检方法，即将整个燃料电池电堆放入纯净水纯净水中，并完全浸没，通过气泡判断哪里有泄漏。对于管阀路的泄漏测试则可使用氢气报警器和检漏液来检测各接头和连接点，以读数确定是否有泄露；此外在使用氮气检漏时也可以简单的用刷肥皂水肥皂水来检测。 因此一些检漏工具是必备的，几个可以放入不同尺寸电堆的水箱、流量计、压力表、氢气报警器、毛刷。 2.2.形式测试：形式测试：包括高低温、振动、冲击、高海拔
32、、加速度、跌落、盐雾、稳定、EMC等测试，根据产品的需要进行选择合适的测试标准和测试方法。一般这种都是由专业检测机构或者公司进行和并提供相关检测报告，也可以以此来作产品认证，如CCC、FCC、TUV、CE、UL等。 此外，从节约成本和时间的角度来考虑，如高低温测试、稳定性测试和跌落测试是可以先进行自检的，相关的试验环境也容易搭建，需要采购一台高低温箱。 3.3.性能测试：性能测试：使用氢气、氧气和冷却液通入燃料电池中，通过不同的氢气、氧气和冷却液配比确定最佳的性能，并判断最佳的性能是否满足要求。 相关的工具包括一套完整的测试设备，其中氮气、氢气供应，负载等是必须具备的。 4.4.寿命测试：寿命
33、测试：通过长期不间断运行燃料电池电堆，查看性能在什么时候开始出现衰变或者是否会明显衰变。 进行寿命测试时，需要有专门的测试人员，两班或三班倒的对电堆进行测试和记录数据，且氢气的供应也不能断。燃料电池常规测试2 其中性能测试，尤其是新电堆的是最复杂的。 测试单路气体电堆时，需要通过调节氢气的流量和压力以及风机的转速来调试电堆到最佳性能； 测试风冷双路气体电堆时，需要通过调节氢气的流量和压力、氧气（空气）的流量和风机的转速来调试电堆到最佳性能； 测试水冷双路气体电堆时，需要通过调节氢气的流量和压力、氧气（空气）的流量和水冷系统泵的参数来调节电堆到最佳性能。 所谓的最佳状态是，其实是电堆的温度、氢气
34、的流量和压力、散热系统的冷却液流量（或风量）和冷却液压力（或风压）共同决定的。 因此，单路气体电堆比双路气体电堆更容易进行测试并调试到电堆的最佳性能，而双路气体的测试因为有三个参数需要调节，会复杂很多。燃料电池生产厂房布局示意图 一般小批量生产的燃料电池的厂房可分为： 加工车间； 烘干车间； 生产车间； 测试车间； 质检车间； 包装车间。 除此之外还有氢气房、原材料仓库和成品仓库。 其中，氢气房和测试车间因为长期有氢气流经，是非常危险的区域，所以一方面这些车间是禁止任何明火，另一方面需要做好通风和换气工作。 此外，所有的作业员无论装配还是测试必须穿好防静电服防静电服、防静电鞋防静电鞋和除静电手
35、环除静电手环操作，以免身上带的电荷击伤电堆。 燃料电池生产流程图点胶模板制作炭纸、膜裁等切模板制作以及石墨板的雕刻压机压板的制作点胶程序调试炭纸、膜等裁切单电池的组装单电池的点胶单电池的烘烤电堆的组装电堆压制，拧螺母焊线安装接线柱安装风机板安装风机电堆测试质量检验包装发货控制器的组装控制器测试加工车间单电池组装车间测试车间质检和物流车间不合格合格燃料电池硼氢化钠制氢简述1 下图为氢气发生器的原理图： 主要部件分燃料桶燃料桶，反应器反应器和汽水分离器三大块汽水分离器三大块。 通过硼氢化钠和水反应制氢制氢，反应方程式：NaBH4+2H2O4H2+NaBO2 因此，燃料桶内部储存的是硼氢化钠、少量氢
36、氧化钠和水按比例调和的混合溶液硼氢化钠、少量氢氧化钠和水按比例调和的混合溶液。 通过空气泵将溶液导入反应器内，反应器内含填满催化剂，通过反应器外部的加热片加热，使内部的溶液经过反应器时与催化剂发生反应，最后生成氢气、水和废液。 绝大部分废液会积聚在反应罐底部， 通过换向阀排放。 仍然有小部分废液和水因为温度的 关系依然处于汽态，因此需要通过冷却 管使它们成为液态。 进入汽水分离器后这些液态的废液 和水将通过换向阀排放。而最后通过过 滤器的纯净的氢气将通过减压阀减压后 进入电堆。 其中，减压阀前段压力要求46bar， 因此空气泵和换向阀等需要满足相关要 求。 燃料电池硼氢化钠制氢简述2 因为燃料
37、和废液的腐蚀性腐蚀性，所以因为要求压力为46bar，所以氢气泵可以使用的是不接触管内溶液的蠕动泵，通过耐压性能最好的道康宁的铂金硫化硅胶管来实现蠕动。原理见下图。 而换向阀则是同样使用不接触管内溶液的夹管阀来实现。 因为保压的需要，所以换向阀是不能常开的，在反应器和汽水分离器底部都有液位传感器，当底部液体液位过高，可能会影响氢气发生器工作时才进行快速一次性排放。 燃料电池其它注意事项 1.燃料电池如果需要成为一套完整的系统，还需要燃料电池DCDC、燃料电池配电柜、燃料电池冷却系统（风冷或水冷）、燃料电池控制器（软件和硬件）、燃料电池供氢系统（钢瓶供氢系统或化学制氢系统）等相互配合才能实现。 2
38、.除了上述氢气燃料电池电堆外，还有甲醇燃料电池电堆，固体燃料电池电堆等。 3.燃料电池电堆因为单电池内部各原材料的厚度存在公差，所以燃料电池的总长是非常不准确的，比如Hydrogenics的30kW电堆的公差达到了15mm，因此在设计时需要充分考虑这个问题。 4.氢气发生器除了通过硼氢化钠制氢硼氢化钠制氢外，一些大功率电堆需要通过甲醇重整制氢甲醇重整制氢的方式。 5.电堆除了通过氢气发电的电堆，还有一种水电解制氢电堆，即加注水进电堆，通过电堆内部反应生成氢气。 6.电堆在使用过程中会隔一段时间进行一次短路和氢气排气，来调节单电池中的水分，使电堆性能稳定，在这个时候性能会有一次瞬间大幅的下降和恢
39、复过程。 7.推荐两个燃料电池的网站：energy.gov、和，这是一个专业做燃料电池网购的网站，除了可以购买燃料电池的成品和物料，还有各种燃料电池成品和物料的介绍、相关的性能指标、售价等可供参考，很多都有PDF可以下载。 附件1：燃料电池常用英文简称解释 简称简称全称全称中文中文FCFuel Cell燃料电池PEMProton Exchange Membrane质子交换膜MEAMembrane Electrode Assembly膜电极FCPPFuel Cell Power Plant燃料电池发电厂PEMFCProton Exchange Membrane Fuel Cell质子交换膜燃料电
40、池FCEFuel Cell Energy燃料电池能源CTECoefficient of Thermal Expansion热膨胀系数GDLGas Diffusion Layer气体扩散层CCMContinuous Conduction Mode连续导电模式SOFCSolid Oxide Fuel Cell固体氧化物燃料电池PEFCPolymer Electrolyte Fuel Cell聚合物电解质燃料电池AFCAlkaline Fuel Cell碱性燃料电池PAFCPhosphoric Acid Fuel Cell磷酸燃料电池MCFCMolten Carbonate Fuel Cell熔融碳
41、酸盐燃料电池FCVFuel Cell Vehicle燃料电池车MPL Micro-porous Layer微孔层附件2：燃料电池常用英文单词 中文中文英文英文中文中文英文英文燃料电池Fuel Cell能量密度Power Density电堆Stack阳极/正极Anode/Negative Electrode双极板Bipolar Plate阴极/负极Cathode/Positive Electrode炭纸Carbon Paper/Sheet有效面积Active Area波纹板Corrugated Sheet体积密度Bulk Density硅胶Silicone/Silica Gel短路Short C
42、ircuit石墨板Graphite Sheet/Plate透气率Gas Permeability柔性石墨板Flexible Graphite Sheet导电率Electrical Conductivity多孔金属板Porous Metal Sheet新能源Alternative Energy双路气体电堆Double Air Stack聚合物 Polymer氢气Hydrogen涂覆催化剂的膜Catalyst Coated Membrane氧气Oxygen质子交换膜Ion Exchange Membrane纤维素Cellulose铂基电催化剂Pt-Electrocatalyst催化剂Catalys
43、t电催化液Electrocatalyst ink导电板Conduction Sheet耐腐蚀性Corrosion Resistance绝缘板Insulation Sheet石墨毡Graphite Felt附件3：燃料电池常用阀门管件英文单词 中文中文英文英文中文中文英文英文电磁阀Solenoid Valve球阀Ball Valve减压阀 Reducing Valve/Regulator汽水分离器Steam Separator泄压阀Relief Valve疏水阀Steam Trap压力开关/传感器Pressure Switch/Sensor截止阀Stop Valve法兰Flange夹管阀Pinc
44、h Valve氢气发生器Hydrogen generation蠕动泵Peristaltic Pump反应器Reactor烧结过滤器Sintered Filter冷凝器Condensor压力表Pressure Meter冷凝管Cooling Coil流量计Flow Meter储氢瓶Hydrogen Storage Bottle三通Tee过滤器Filter活接头Union泵Pump弯头Bend卡套Ferrule氢气传感器Hydrogen Sensor换向阀Reversing Valve加湿器Humidifier针阀Needle Valve散热片Heatsink快速接头Quick Connector散热器Radiator