燃料電池裸堆示意圖

一、氫燃料電池電堆生產工藝流程總述

氫燃料電池電堆組裝工藝流程圖

工藝說明：

堆疊和預裝配——壓縮——張緊——泄漏測試——定型裝配——活化和測試——成品

二、氫燃料電池電堆組裝具體分工藝詳解

1.堆疊和預裝配

氫燃料電池電堆堆疊工藝流程示意圖

1）物料準備

準備好的原料、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）堆疊和預組裝所需設備

機器人、組裝定位治具等。

說明：可替代的堆疊方式有人工堆疊、全自動供料堆疊、機械手精準定位堆疊、旋轉機械手堆疊方式。

3）堆疊加工流程

a.開始時先將下端板和集流板、絕緣板放到組裝工作臺上定位好。（也有將絕緣板和端板做成一體的結構）

b.需注意MEA、BPP的產品可追溯性，可以引入Barcode系統等。

c.將MEA、BPP（含密封墊片）、MEA、BPP這樣依次循環堆疊，直到達到設計所需求的數量為止。（當然有些廠商有將GDL和密封墊分離于MEA或者BPP，也沒關系依次堆疊就好）

d.最后，將有介質接口的端板以及集流板、絕緣板堆疊在最上層。

e.堆疊過程需要定位治具確保各部件邊緣精確對齊。

4）堆疊過程參數控制：

a.燃料電池數量：每千瓦2–10個單電池。目前常見的是每千瓦3~5片。

b.堆疊速度：每個組件<2.3秒。

c.組件定位精度：0.1 mm/100μm。

5）影響品質因素

無塵室工作環境、組件厚度精度：<10μm。

6）品質特征

每個單體電池厚度約1~2mm（和性能相關，僅供參考）、組裝定位的精準、無損壞。

2.預組裝后的壓緊

氫燃料電池電堆壓緊工藝流程示意圖

1）材料準備

前制程堆疊好的半成品電堆。

2）所用設備

帶有壓板的可控壓力的液壓機（設備）。可替代的設備有氣壓計、伺服液壓機、螺旋壓力機等等。

3）壓緊加工流程：

a.壓緊是需要借助壓力設備的。

b.通過施加壓力，各個部件（包含密封墊）被壓緊，以產生密封的效果。

c.壓緊可以降低各部件間的接觸電阻。

d.壓力的合理調節和管控既保證被充分壓緊又避免因過載而損壞。

e.均勻壓緊是對電堆功率密度和壽命保證的基本要求。。

4）成型過程參數控制

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（取決于產品）。

c.處理時間：每個電堆<150秒。

5）影響品質因素

壓力和路徑的精度：最大+/-2%、無塵工作環境、施壓移動速度、定位精度

6）品質特征

無破損、壓力均勻，緊密性、每個單體1~2mm（取決于產品性能）。

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）張緊固定所需設備：

拉帶包裝機等（可用夾板、護套等方式替代）

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.要在壓力機裝置內完成以上動作。

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構來固定連接。

e.拉帶也可以和端板面上凹槽進行搭配固定，并用螺絲鎖住。

4）張緊過程參數控制

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.在橫截面區域將裝置旋轉至180°方便固定。

5）影響品質因素

擰緊順序、緊固扭矩、由于變形導致張拉不均勻、端板的厚度。

6）品質特征

不受破壞的張力帶、電池或端板無斷裂或裂紋、均勻的壓力分布。

4.電堆的泄漏測試

電堆泄漏測試工藝流程圖

1）所需材料：

前制程張緊固定的電堆。

2）所需設備：

壓降測試設備、流量測試設備。

說明：可以用氮氣或者氦氣作為介質。

3）加工流程：

a.采用壓降測試或者流量測試來檢測電堆的密封性能。

b.將測試介質氣體輸入到電堆和泄漏測試設備（如圖所示）。

c.采用壓降法：在關閉介質氣體輸入后觀察壓力變化來判斷分析泄漏狀況

d.流量測試法：打開介質氣體輸入，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）電堆泄漏檢測過程參數控制

a.陽極氫氣泄漏率：最大1×10-2 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.試驗介質氣體：氦氣或氮氣。

5）影響品質因素

輸氣管道和進料管線的密封性、部件損壞、張拉不均勻、環境壓力和溫度、防塵等。

6）品質特征

泄漏率、可重工返修的可能。

說明：針對整堆的泄漏測試我們國內也有完整嚴謹的國標。

5.定型產品

電堆其他附件裝配工藝流程示意圖

1）所需材料：

CVM（數據采集單元）以及觸點連接的導電樹脂等、正負極電流收集模塊、各輸入輸出接口連接板。

說明：由于電堆有裸堆、模塊兒等形態存在，所以以上部件有些是選配

2）所需設備：

安裝工具。

3）加工流程：

a.CVM主要用來采集各單體電池電壓。

b.CVM采集電壓觸點一般用導電樹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。

e.外殼蓋也是配電盤，也包含所有介質輸入和輸出以及傳感器和高壓電纜等連接。

4）附件裝配過程參數控制

a.接觸點導電樹脂的用量。

b.確保搬運安裝過程安全，不損壞電堆。

c.集電器、導線位置安裝精確。

5）影響品質因素

導電樹脂的干燥和本身品質、嚴謹的工藝操作規程。

6）品質特征

外殼拆裝的便利性、單電池的電壓的精確監控和良好的導電性。

6.電堆活化和測試

電堆活化和測試工藝流程示意圖

1）所需材料：

安裝定型好的電堆、氫氣、去離子水（冷卻液）。

2）所需設備：

電子負載、水泵、散熱風扇、離子交換器、空濾、空壓機（鼓風機）、加濕系統。

說明：以上設備目前也有一套完整的測試臺架可以替代。

3）加工流程：

a.將組裝好的電堆放置于搭建好的測試臺架上。

b.測試系統需要有符合需求的氫氣以及空氣供給，還有獨立的電子負載。

c.在活化過程可以采用恒流。恒壓。變載以及不同濕度下進行有規律切換來進行（之前有篇單獨談電堆活化的文章，有興趣請去翻閱）。

d.確定并記錄極化曲線，以評價電堆性能。

e.特別說明：某些時候活化后需要再次進行泄漏測試。

4）密封墊片加工過程參數控制

a.活化時間大約持續2~4小時，不同的活化方式有較大差異。

b.工作負載：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）影響品質因素

氫氣純度、供應量的保證、溫度管理、各連接管路密封、環境溫度和壓力。

6）品質特征

電池電壓和效率、測試過程的熱管理。

以上工藝過程就是一個完整的電堆生產過程（FUEL CELL?STACK）

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