质子交换膜燃料电池堆安全——质子交换膜燃料电池堆制造、运输及安全影响因素

一、制造环境

燃料电池堆生产过程中的温度、湿度环境条件必须确定并得到保证。一般不允许出现超出温度、湿度极限值的情况，为此应制定适当的应对方案。燃料电池膜电极（MEA）对水分非常敏感，典型地，在25℃时，膜电极车间的相对湿度应控制在40%±5%，从而避免质子交换膜卷曲，影响工艺尺寸精度，导致错位、褶皱等问题。若采用手工装配电池堆，操作员应穿着防尘服，戴防尘帽、护目镜、口罩和防尘手套等；禁止不戴口罩直接靠近膜电极组件，以避免呼出水汽或皮肤汗液蒸发影响质子交换膜平整性。

质子交换膜燃料电池制造商应以无尘车间作为制造环境，控制燃料电池堆生产过程的粉尘度，需要防止外来的颗粒物渗透到任何生产区域，粉尘度应控制在10 万级以下；MEA 制备、金属板涂层部分关键工序的粉尘度应在1 万级以下。生产系统需要防止金属磨损，如果不能防止金属磨损，应采取适当措施保证这些磨损产生的颗粒不进入生产过程。应对定期检测到的粒子进行常规分析，以确定粒子的数量、大小和组成，特别是在导电性(如金属粒子)方面；如果颗粒数量、大小、成分超出规格要求，应立即采取纠正措施。质子交换膜组件中，碳纸碳布等材质的气体扩散层存在脱落的碳纤维或导电碳粉，需要定期监测工作环境的导电粉尘数量，以免导电粉尘污染其他绝缘材料零件表面，降低电池堆绝缘性能。通过上述措施，避免导电性颗粒刺穿质子交换膜，导致膜电极组件泄漏或渗透增大；避免有机分子污染燃料电池多孔电极催化剂层，影响燃料电池堆的输出性能、使用寿命和安全性能。

质子交换膜及质子交换膜组件应密封包装，存储于恒温恒湿存储柜中，温湿度要求按供应商要求。

其他燃料电池堆零件存储于阴凉干燥、无灰尘、无腐蚀性挥发物的环境。生产制造用设备、工装，质量检测用仪器、传感器等应定期保养、检测、校准，以确保质子交换膜燃料电池堆的生产条件。

二、制造工艺

燃料电池堆关键材料、部件制造应满足上述4.1 节和4.2 节的相关要求。通过组装MEA、双极板和相应的密封件构成单片燃料电池，多个单片燃料电池堆积组装成燃料电池堆。根据GB/T 20042.5-2009《质子交换膜燃料电池第5 部分：膜电极测试方法》，燃料电池堆单电池的组装应根据定位孔位置，按照顺序将端板、集流板、流场板及MEA 进行组装；可以参考图4-4 所示顺序，逐一使用紧固螺栓、螺帽以及渐进型力矩扳手对电池进行夹紧处理。

图4-4 单电池的紧固螺栓位置及紧固顺序

目前燃料电池堆主要采用压装法进行组装，组装过程在压装台上进行。压装工艺的具体步骤如下：

1）将双极板、膜电极、双极板按顺序依次叠加在已安装好绝缘板、集流板的下端板上，组装出端部单片燃料电池。

2）重复以上步骤，利用组装辅助定位装置依次堆叠组装其它单片燃料电池。

3）组装完全部单片燃料电池后，依次堆叠集流板、绝缘板、端板等组件，并使用压装机施加设计封装力，将燃料电池堆压紧。

4）安装好气体通路，对燃料电池堆进行气密性检测。

5）检测通过后，在保压情况下安装螺杆，并使用力矩扳手对螺母施加规定的预紧力，撤除压装台压力，完成燃料电池堆组装。

所有零件应符合技术说明书的要求，并有唯一识别码，以追溯来源，经质检合格后，入库待用。

燃料电池堆的组装力应满足如下条件：①气体扩散层与双极板之间的接触电阻最小；②扩散层厚度方向的压缩率小于20%；③燃料电池堆组装必须确保在电池工作期间维持足够大的夹持力，且应保证压缩力分布的均匀性，使得气体扩散层、垫圈和双极板上凸起或凹陷的厚度完全匹配。

三、运输

（1）包装安全要求

运输包装是以运输储存为主要目的的包装，应具有保障货物运输安全、便于装卸储运、加速交接点验等功能。运输包装应符合科学、牢固、经济、美观的要求。

质子交换膜燃料电池堆的包装应防水、防潮，必要时应在包装袋中加干燥剂除湿。包装要考虑不同运输环境条件（公路运输、铁路运输、水路运输等情况）下对燃料电池堆的保护，防止搬移过程中的挤压和损伤，导致安全失效。根据不同运输方式，还应符合相应运输方式的有关规定。

铭牌应粘贴或固定在模块上，考虑化学腐蚀、热和环境影响，铭牌应持久而易见。铭牌应包含：制造商名称或注册商标、额定功率、模块ID、日期编码或可追溯到生产日期的序列号。每台燃料电池堆上的铭牌及其连接件的标志应满足GB/T 20042.2-2008《质子交换膜燃料电池电池堆通用技术条件》中的规定。

应根据情况使用振动危险、高温、易燃气体或液体、腐蚀性介质、有毒介质、高压电等警示标签。

燃料电池堆应以最小单元隔离固定，预留安全距离，避免发生电气安全问题。

重量在140kg 以下的包装件应便于人力作业；重量在140-1500kg 的箱装货物应便于叉车作业，应在包装上标出货物重心位置；重量在1500kg 以上的箱装货物，应便于吊车作业，应标出货物重心位置和起吊位置。

可回收利用的包装容器和包装组分的材料应使用识别标志，其标识应符合GB/T 18455-2010 的规定。

（2）运输与贮存安全要求

燃料电池堆必须牢靠固定在货物运输装置的内部；避免对燃料电池堆受到日晒、雨淋、潮湿、剧烈机械冲击；产品要按指定方向放置，避免燃料电池堆受压；在装卸过程中，产品应轻放，严防摔掷、翻滚。

（3）警示标识

燃料电池堆的警示标识应依照国家标准规定。在包装过程中，高电压（＞DC60V 或＞AC30V）需要在燃料电池堆上贴示“高压电警示”标签。燃料电池堆要进行极性标识，正极使用红色，负极使用黑色。