[发明专利]质子交换膜燃料电池电堆拆解维护方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆拆解维护方法。本发明，依次包括以下步骤：选择合适的工作环境、浸泡去离子水、拆卸燃料电池电堆、深度清洁、检测和组装。本发明在燃料电池电堆拆解前，将燃料电池电堆注满去离子水并静置一段时间，最大程度抑制质子交换膜在拆堆后发生卷缩，避免因质子交换膜卷缩而破坏膜电极结构，并且，本发明测试并重新使用性能正常的零部件，替换不合格的零部件，延长燃料电池电堆使用寿命，降低燃料电池使用成本。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆拆解维护方法。

背景技术

燃料电池电堆是发生电化学反应场所，燃料电池动力系统核心部分。如图1所示，燃料电池包括若干个单电池，每个单电池主要包括双极板1、膜电极2以及位于膜电极2之间的质子交换膜3这三个部件，燃料电池电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后集流板及端板压紧后用连接件紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

1、双极板组件

一般来说，在燃料电池中，起到支撑、集流、分隔氧化剂与还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板通称为双极板。在燃料电池的二大基本组件中，双极板占到了燃料电池电堆80％的总重量以及24％的成本，双极板与膜电极交替叠加，构成一个单电池，而每个电堆中有几十个甚至上百个这样的单电池，双极板在其中既是支撑电堆的“骨架”，也是收集电流的集电器，同时又为流场冷却电堆提供流道，因此双极板在燃料电池中的地位不言而喻。

在双极板的材料选取方面，目前的研究对象主要包括石墨、金属以及符合材料三类。石墨基双极板在燃料电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，同时具有很高的导电率，是目前质子交换膜燃料电池研究和应用中最为广泛的材料；金属材料相比石墨材料具有更好的导电和热传导性能，同时金属材料良好的机加工性能会大大降低双极板的加工难度；复合材料双极板能较好地结合石墨板与金属板的优点，使电堆装配后达到更好的效果。

双极板组件通常由两片单极板对应连接而成，其连接方式有焊接、胶黏、钎焊等，不同极板材质对应相应的连接方式。连接后的双极板组件其两侧分别为氧化剂和还原剂提供流场，同时在双极板组件内部为冷却液提供流道。为了有效分隔氧化剂和还原剂以及冷却液，防止三者产生混合干扰，双极板组件完成连接后需要达到有效的密封性效果。

双极板的工作环境中同时存在氧化介质(氧气)和还原介质(如氢气)，且通常温度在80℃左右，因此双极板需要在该工作环境下具有抗腐蚀的能力。

2、膜电极组件

膜电极是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，因此膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。

膜电极通常由5部分组成，即中间的质子交换膜，两侧的阳极催化层和阴极催化层，最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。膜电极在燃料电池电堆成本占比高达64％左右，其中催化剂占比36％左右，质子交换膜占比12％左右。

2.1质子交换膜

质子交换膜在燃料电池中的主要功能是实现质子快速传导，故又叫质子导电膜。质子交换膜燃料电池工作时，H₂在阳极催化剂作用下解离为质子(H⁺)和电子(e^-)，电子从外电路由阳极向阴极转移，而H⁺则通过质子导电膜由阳极转移到阴极。通常，低温质子导电膜中的质子以水合氢离子H₃O⁺(H₂O)_n的形式在质子交换膜中定向传输，实现质子导电。