氫燃料電池裸堆（非集成系統(tǒng)）的主要構(gòu)成部件包括膜電極（MEA）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、金屬雙極板（BPP），幾乎占了裸堆總成本的85%以上，具備了以上主要部件后，再加工或采辦一些其他必要的輔材就可以組裝一個(gè)完整的氫燃料電池裸堆或模塊兒出來(lái)了。
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寶馬燃料電池自動(dòng)化裝堆
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今天為大家詳細(xì)介紹氫燃料電池電堆的生產(chǎn)工藝。
燃料電池裸堆示意圖
一、氫燃料電池電堆生產(chǎn)工藝流程總述
氫燃料電池電堆組裝工藝流程圖
工藝說(shuō)明：
堆疊和預(yù)裝配——壓縮——張緊——泄漏測(cè)試——定型裝配——活化和測(cè)試——成品
二、氫燃料電池電堆組裝具體分工藝詳解
1.堆疊和預(yù)裝配
氫燃料電池電堆堆疊工藝流程示意圖
1）物料準(zhǔn)備
準(zhǔn)備好的原料、半成品零部件，具體包括MEA（含GDL）模組、BPP、后端板、拉桿（或包扎鋼帶）、集流板、絕緣板等。
2）堆疊和預(yù)組裝所需設(shè)備
機(jī)器人、組裝定位治具等。
說(shuō)明：可替代的堆疊方式有人工堆疊、全自動(dòng)供料堆疊、機(jī)械手精準(zhǔn)定位堆疊、旋轉(zhuǎn)機(jī)械手堆疊方式。
3）堆疊加工流程
a.開(kāi)始時(shí)先將下端板和集流板、絕緣板放到組裝工作臺(tái)上定位好。（也有將絕緣板和端板做成一體的結(jié)構(gòu)）
b.需注意MEA、BPP的產(chǎn)品可追溯性，可以引入Barcode系統(tǒng)等。
c.將MEA、BPP（含密封墊片）、MEA、BPP這樣依次循環(huán)堆疊，直到達(dá)到設(shè)計(jì)所需求的數(shù)量為止。（當(dāng)然有些廠商有將GDL和密封墊分離于MEA或者BPP，也沒(méi)關(guān)系依次堆疊就好）
d.最后，將有介質(zhì)接口的端板以及集流板、絕緣板堆疊在最上層。
e.堆疊過(guò)程需要定位治具確保各部件邊緣精確對(duì)齊。
4）堆疊過(guò)程參數(shù)控制：
a.燃料電池?cái)?shù)量：每千瓦2–10個(gè)單電池。目前常見(jiàn)的是每千瓦3~5片。
b.堆疊速度：每個(gè)組件<2.3秒。
c.組件定位精度：0.1 mm/100μm。
5）影響品質(zhì)因素
無(wú)塵室工作環(huán)境、組件厚度精度：<10μm。
6）品質(zhì)特征
每個(gè)單體電池厚度約1~2mm（和性能相關(guān)，僅供參考）、組裝定位的精準(zhǔn)、無(wú)損壞。
2.預(yù)組裝后的壓緊
氫燃料電池電堆壓緊工藝流程示意圖
1）材料準(zhǔn)備
前制程堆疊好的半成品電堆。
2）所用設(shè)備
帶有壓板的可控壓力的液壓機(jī)（設(shè)備）。可替代的設(shè)備有氣壓計(jì)、伺服液壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)等等。
3）壓緊加工流程：
a.壓緊是需要借助壓力設(shè)備的。
b.通過(guò)施加壓力，各個(gè)部件（包含密封墊）被壓緊，以產(chǎn)生密封的效果。
c.壓緊可以降低各部件間的接觸電阻。
d.壓力的合理調(diào)節(jié)和管控既保證被充分壓緊又避免因過(guò)載而損壞。
e.均勻壓緊是對(duì)電堆功率密度和壽命保證的基本要求。。
4）成型過(guò)程參數(shù)控制
a.壓力：最大160 kN，且施加壓力一定要均勻。
b施壓路徑或方式（取決于產(chǎn)品）。
c.處理時(shí)間：每個(gè)電堆<150秒。
5）影響品質(zhì)因素
壓力和路徑的精度：最大+/-2%、無(wú)塵工作環(huán)境、施壓移動(dòng)速度、定位精度
6）品質(zhì)特征
無(wú)破損、壓力均勻，緊密性、每個(gè)單體1~2mm（取決于產(chǎn)品性能）。
3.張緊固定
電堆兩種張緊的固定方式流程工藝示意圖
1）所需材料：
金屬拉帶、或者拉桿加彈墊加螺母。
2）張緊固定所需設(shè)備：
拉帶包裝機(jī)等（可用夾板、護(hù)套等方式替代）
3）張緊加工流程：
a.使用張力帶或者拉桿確保電堆被壓緊并永久定型。
b.要在壓力機(jī)裝置內(nèi)完成以上動(dòng)作。
c.一般采用金屬或者碳纖維的拉力帶，并有序均勻分布拉緊固定。
d.拉帶的連接處有焊接、連接頭、夾具或者異形彎曲結(jié)構(gòu)來(lái)固定連接。
e.拉帶也可以和端板面上凹槽進(jìn)行搭配固定，并用螺絲鎖住。
4）張緊過(guò)程參數(shù)控制
a.夾緊壓力：約0.5-1 MPa。
b.緊固扭矩：約11 Nm（單電池需要的力）。
c.在橫截面區(qū)域?qū)⒀b置旋轉(zhuǎn)至180°方便固定。
5）影響品質(zhì)因素
擰緊順序、緊固扭矩、由于變形導(dǎo)致張拉不均勻、端板的厚度。
6）品質(zhì)特征
不受破壞的張力帶、電池或端板無(wú)斷裂或裂紋、均勻的壓力分布。
4.電堆的泄漏測(cè)試
電堆泄漏測(cè)試工藝流程圖
1）所需材料：
前制程張緊固定的電堆。
2）所需設(shè)備：
壓降測(cè)試設(shè)備、流量測(cè)試設(shè)備。
說(shuō)明：可以用氮?dú)饣蛘吆庾鳛榻橘|(zhì)。
3）加工流程：
a.采用壓降測(cè)試或者流量測(cè)試來(lái)檢測(cè)電堆的密封性能。
b.將測(cè)試介質(zhì)氣體輸入到電堆和泄漏測(cè)試設(shè)備（如圖所示）。
c.采用壓降法：在關(guān)閉介質(zhì)氣體輸入后觀察壓力變化來(lái)判斷分析泄漏狀況
d.流量測(cè)試法：打開(kāi)介質(zhì)氣體輸入，觀察終端流量變化分析判斷泄漏狀況。
e.既要確定電堆整體密封性能，也要判斷單體泄漏狀況。
4）電堆泄漏檢測(cè)過(guò)程參數(shù)控制
a.陽(yáng)極氫氣泄漏率：最大1x10-2 Pa m3/秒。
b.陰極氧氣泄漏率：最高為氫氣泄漏率的4倍。
c.通入氣量：取決于電堆功率。
d.試驗(yàn)介質(zhì)氣體：氦氣或氮?dú)狻?/p>
5）影響品質(zhì)因素
輸氣管道和進(jìn)料管線的密封性、部件損壞、張拉不均勻、環(huán)境壓力和溫度、防塵等。
6）品質(zhì)特征
泄漏率、可重工返修的可能。
說(shuō)明：針對(duì)整堆的泄漏測(cè)試我們國(guó)內(nèi)也有完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膰?guó)標(biāo)。
5.定型產(chǎn)品
電堆其他附件裝配工藝流程示意圖
1）所需材料：
CVM（數(shù)據(jù)采集單元）以及觸點(diǎn)連接的導(dǎo)電樹(shù)脂等、正負(fù)極電流收集模塊、各輸入輸出接口連接板。
說(shuō)明：由于電堆有裸堆、模塊兒等形態(tài)存在，所以以上部件有些是選配
2）所需設(shè)備：
安裝工具。
3）加工流程：
a.CVM主要用來(lái)采集各單體電池電壓。
b.CVM采集電壓觸點(diǎn)一般用導(dǎo)電樹(shù)脂連接到電梯電池上，也有采用焊接或者夾具等方式。
c.電池高壓輸出母線連接到集電器上。
d.將電堆裝入殼體內(nèi)。
e.外殼蓋也是配電盤(pán)，也包含所有介質(zhì)輸入和輸出以及傳感器和高壓電纜等連接。
4）附件裝配過(guò)程參數(shù)控制
a.接觸點(diǎn)導(dǎo)電樹(shù)脂的用量。
b.確保搬運(yùn)安裝過(guò)程安全，不損壞電堆。
c.集電器、導(dǎo)線位置安裝精確。
5）影響品質(zhì)因素
導(dǎo)電樹(shù)脂的干燥和本身品質(zhì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚥僮饕?guī)程。
6）品質(zhì)特征
外殼拆裝的便利性、單電池的電壓的精確監(jiān)控和良好的導(dǎo)電性。
6.電堆活化和測(cè)試
電堆活化和測(cè)試工藝流程示意圖
1）所需材料：
安裝定型好的電堆、氫氣、去離子水（冷卻液）。
2）所需設(shè)備：
電子負(fù)載、水泵、散熱風(fēng)扇、離子交換器、空濾、空壓機(jī)（鼓風(fēng)機(jī)）、加濕系統(tǒng)。
說(shuō)明：以上設(shè)備目前也有一套完整的測(cè)試臺(tái)架可以替代。
3）加工流程：
a.將組裝好的電堆放置于搭建好的測(cè)試臺(tái)架上。
b.測(cè)試系統(tǒng)需要有符合需求的氫氣以及空氣供給，還有獨(dú)立的電子負(fù)載。
c.在活化過(guò)程可以采用恒流。恒壓。變載以及不同濕度下進(jìn)行有規(guī)律切換來(lái)進(jìn)行（之前有篇單獨(dú)談電堆活化的文章，有興趣請(qǐng)去翻閱）。
d.確定并記錄極化曲線，以評(píng)價(jià)電堆性能。
e.特別說(shuō)明：某些時(shí)候活化后需要再次進(jìn)行泄漏測(cè)試。
4）密封墊片加工過(guò)程參數(shù)控制
a.活化時(shí)間大約持續(xù)2~4小時(shí)，不同的活化方式有較大差異。
b.工作負(fù)載：取決于電堆功率。
c.工作壓力：25-45mBar。
d.工作溫度：55-75°C(這里一般指低溫PEM燃料電池）。
5）影響品質(zhì)因素
氫氣純度、供應(yīng)量的保證、溫度管理、各連接管路密封、環(huán)境溫度和壓力。
6）品質(zhì)特征
電池電壓和效率、測(cè)試過(guò)程的熱管理。
以上工藝過(guò)程就是一個(gè)完整的電堆生產(chǎn)過(guò)程（FUEL CELL STACK）。
燃料電池電堆全自動(dòng)化生產(chǎn)工藝
來(lái)源：北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：氫燃料電池電堆的（PEMFC）的生產(chǎn)組裝工藝詳解
