燃料电池裸堆示意图

 

一、氢燃料电池电堆生产工艺流程总述

 

 

氢燃料电池电堆组装工艺流程图

 

工艺说明：

 

堆叠和预装配——压缩——张紧——泄漏测试——定型装配——活化和测试——成品

 

二、氢燃料电池电堆组装具体分工艺详解

 

1.堆叠和预装配

 

 

氢燃料电池电堆堆叠工艺流程示意图

 

1）物料准备

 

准备好的原料、半成品零部件，具体包括MEA（含GDL）模组、BPP、后端板、拉杆（或包扎钢带）、集流板、绝缘板等。

 

2）堆叠和预组装所需设备

 

机器人、组装定位治具等。

 

说明：可替代的堆叠方式有人工堆叠、全自动供料堆叠、机械手精准定位堆叠、旋转机械手堆叠方式。

 

3）堆叠加工流程

 

a.开始时先将下端板和集流板、绝缘板放到组装工作台上定位好。（也有将绝缘板和端板做成一体的结构）

 

b.需注意MEA、BPP的产品可追溯性，可以引入Barcode系统等。

 

c.将MEA、BPP（含密封垫片）、MEA、BPP这样依次循环堆叠，直到达到设计所需求的数量为止。（当然有些厂商有将GDL和密封垫分离于MEA或者BPP，也没关系依次堆叠就好）

 

d.最后，将有介质接口的端板以及集流板、绝缘板堆叠在最上层。

 

e.堆叠过程需要定位治具确保各部件边缘精确对齐。

 

4）堆叠过程参数控制：

 

a.燃料电池数量：每千瓦2–10个单电池。目前常见的是每千瓦3~5片。

 

b.堆叠速度：每个组件<2.3秒。

 

c.组件定位精度：0.1 mm/100µm。

 

5）影响品质因素

 

无尘室工作环境、组件厚度精度：<10µm。

 

6）品质特征

 

每个单体电池厚度约1~2mm（和性能相关，仅供参考）、组装定位的精准、无损坏。

 

2.预组装后的压紧

 

 

氢燃料电池电堆压紧工艺流程示意图

 

1）材料准备

 

前制程堆叠好的半成品电堆。

 

2）所用设备

 

带有压板的可控压力的液压机（设备）。可替代的设备有气压计、伺服液压机、螺旋压力机等等。

 

3）压紧加工流程：

 

a.压紧是需要借助压力设备的。

 

b.通过施加压力，各个部件（包含密封垫）被压紧，以产生密封的效果。

 

c.压紧可以降低各部件间的接触电阻。

 

d.压力的合理调节和管控既保证被充分压紧又避免因过载而损坏。

 

e.均匀压紧是对电堆功率密度和寿命保证的基本要求。。

 

4）成型过程参数控制

 

a.压力：最大160 kN，且施加压力一定要均匀。

 

b施压路径或方式（取决于产品）。

 

c.处理时间：每个电堆<150秒。

 

5）影响品质因素

 

压力和路径的精度：最大+/-2%、无尘工作环境、施压移动速度、定位精度

 

6）品质特征

 

无破损、压力均匀，紧密性、每个单体1~2mm（取决于产品性能）。

 

3.张紧固定

 

 

电堆两种张紧的固定方式流程工艺示意图

 

1）所需材料：

 

金属拉带、或者拉杆加弹垫加螺母。

 

2）张紧固定所需设备：

 

拉带包装机等（可用夹板、护套等方式替代）

 

3）张紧加工流程：

 

a.使用张力带或者拉杆确保电堆被压紧并永久定型。

 

b.要在压力机装置内完成以上动作。

 

c.一般采用金属或者碳纤维的拉力带，并有序均匀分布拉紧固定。

 

d.拉带的连接处有焊接、连接头、夹具或者异形弯曲结构来固定连接。

 

e.拉带也可以和端板面上凹槽进行搭配固定，并用螺丝锁住。

 

4）张紧过程参数控制

 

a.夹紧压力：约0.5-1 MPa。

 

b.紧固扭矩：约11 Nm（单电池需要的力）。

 

c.在横截面区域将装置旋转至180°方便固定。

 

5）影响品质因素

 

拧紧顺序、紧固扭矩、由于变形导致张拉不均匀、端板的厚度。

 

6）品质特征

 

不受破坏的张力带、电池或端板无断裂或裂纹、均匀的压力分布。

 

4.电堆的泄漏测试

 

 

电堆泄漏测试工艺流程图

 

1）所需材料：

 

前制程张紧固定的电堆。

 

2）所需设备：

 

压降测试设备、流量测试设备。

 

说明：可以用氮气或者氦气作为介质。

 

3）加工流程：

 

a.采用压降测试或者流量测试来检测电堆的密封性能。

 

b.将测试介质气体输入到电堆和泄漏测试设备（如图所示）。

 

c.采用压降法：在关闭介质气体输入后观察压力变化来判断分析泄漏状况

 

d.流量测试法：打开介质气体输入，观察终端流量变化分析判断泄漏状况。

 

e.既要确定电堆整体密封性能，也要判断单体泄漏状况。

 

4）电堆泄漏检测过程参数控制

 

a.阳极氢气泄漏率：最大1x10-2 Pa m³/秒。

 

b.阴极氧气泄漏率：最高为氢气泄漏率的4倍。

 

c.通入气量：取决于电堆功率。

 

d.试验介质气体：氦气或氮气。

 

5）影响品质因素

 

输气管道和进料管线的密封性、部件损坏、张拉不均匀、环境压力和温度、防尘等。

 

6）品质特征

 

泄漏率、可重工返修的可能。

 

说明：针对整堆的泄漏测试我们国内也有完整严谨的国标。

 

5.定型产品

 

 

电堆其他附件装配工艺流程示意图

 

1）所需材料：

 

CVM（数据采集单元）以及触点连接的导电树脂等、正负极电流收集模块、各输入输出接口连接板。

 

说明：由于电堆有裸堆、模块儿等形态存在，所以以上部件有些是选配

 

2）所需设备：

 

安装工具。

 

3）加工流程：

 

a.CVM主要用来采集各单体电池电压。

 

b.CVM采集电压触点一般用导电树脂连接到电梯电池上，也有采用焊接或者夹具等方式。

 

c.电池高压输出母线连接到集电器上。

 

d.将电堆装入壳体内。

 

e.外壳盖也是配电盘，也包含所有介质输入和输出以及传感器和高压电缆等连接。

 

4）附件装配过程参数控制

 

a.接触点导电树脂的用量。

 

b.确保搬运安装过程安全，不损坏电堆。

 

c.集电器、导线位置安装精确。

 

5）影响品质因素

 

导电树脂的干燥和本身品质、严谨的工艺操作规程。

 

6）品质特征

 

外壳拆装的便利性、单电池的电压的精确监控和良好的导电性。

 

6.电堆活化和测试

 

 

电堆活化和测试工艺流程示意图

 

1）所需材料：

 

安装定型好的电堆、氢气、去离子水（冷却液）。

 

2）所需设备：

 

电子负载、水泵、散热风扇、离子交换器、空滤、空压机（鼓风机）、加湿系统。

 

说明：以上设备目前也有一套完整的测试台架可以替代。

 

3）加工流程：

 

a.将组装好的电堆放置于搭建好的测试台架上。

 

b.测试系统需要有符合需求的氢气以及空气供给，还有独立的电子负载。

 

c.在活化过程可以采用恒流。恒压。变载以及不同湿度下进行有规律切换来进行（之前有篇单独谈电堆活化的文章，有兴趣请去翻阅）。

 

d.确定并记录极化曲线，以评价电堆性能。

 

e.特别说明：某些时候活化后需要再次进行泄漏测试。

 

4）密封垫片加工过程参数控制

 

a.活化时间大约持续2~4小时，不同的活化方式有较大差异。

 

b.工作负载：取决于电堆功率。

 

c.工作压力：25-45mBar。

 

d.工作温度：55-75°C(这里一般指低温PEM燃料电池）。

 

5）影响品质因素

 

氢气纯度、供应量的保证、温度管理、各连接管路密封、环境温度和压力。

 

6）品质特征

 

电池电压和效率、测试过程的热管理。

 

以上工艺过程就是一个完整的电堆生产过程（FUEL CELL STACK）