燃料电池基础培训资料课件

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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+

2、O22H2O 氧因为得到氢的电荷，所以带正极；氢失去电荷,所以带负极。,燃料电池优点,发电效率高； 环境污染小； 比能量高； 噪音低； 燃料范围广； 负荷调节灵活，可靠性高； 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,燃料电池类型2,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

3、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(PEM)、两个催化剂层(Catalyst)和两个气体扩散层(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MEA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(PEM)和两个催化剂层(Catalyst)组成的三层MEA的单电池和电堆的设计，这种ME

4、A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

5、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切损耗问题，尽量不浪费太多的膜。 *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，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

6、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和导热性和耐化学耐蚀性，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

7、.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，Bal

8、lard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。,1,2,3,4,5,6,7,8,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。,1,2,3,4,5,6,7,8,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：,1,2,3,4,5,6,燃料电池单电池双

9、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。

10、 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。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,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

11、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。 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。 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双极板结构1,右图是水冷双路双极板单电池结构：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,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

12、： 因为相比风冷双路双极板结构，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。,燃料电池单电池双路和

13、单路电堆的区别和应用,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

14、构是通过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

15、单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。 金属板常规是按整卷的形式采购的，小批量时使用线

16、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，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，硅胶圈小批量时可以使用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