本文轉(zhuǎn)自氫眼所見公眾號，眾所周知，膜電極（MEA）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、金屬雙極板（BPP）這三大件是氫燃料電池裸堆（非集成系統(tǒng)）的主要構(gòu)成部件，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完整的氫燃料電池裸堆或模塊兒出來了。那么這些部件是如何裝在一起的呢？下面正式開篇介紹氫燃料電池電堆的生工藝。在看本文前可以通過掃描下方二維碼加入艾邦氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈微信群。
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
工藝說明：
堆疊和預(yù)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(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。
說明：可替代的堆疊方式有人工堆疊、全自動供料堆疊、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(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(shù)控制：
a.燃料電池數(shù)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(zhì)因素
無塵室工作環(huán)境、組件厚度精度：<10μm。
6）品質(zhì)特征
每個單體電池厚度約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）?？商娲脑O(shè)備有氣壓計、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.通過施加壓力，各個部件（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(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.處理時間：每個電堆<150秒。
5）影響品質(zhì)因素
壓力和路徑的精度：最大+/-2%、無塵工作環(huán)境、施壓移動速度、定位精度
6）品質(zhì)特征
無破損、壓力均勻，緊密性、每個單體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(shè)備：
壓降測試設(shè)備、流量測試設(shè)備。
說明：可以用氮?dú)饣蛘吆庾鳛榻橘|(zhì)。
3）加工流程：
a.采用壓降測試或者流量測試來檢測電堆的密封性能。
b.將測試介質(zhì)氣體輸入到電堆和泄漏測試設(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判斷分析泄漏狀況
d.流量測試法：打開介質(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）電堆泄漏檢測過程參數(shù)控制
a.陽極氫氣泄漏率：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?br style="outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;" />
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。
說明：針對整堆的泄漏測試我們國內(nèi)也有完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膰鴺?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)電樹脂等、正負(fù)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(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，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）附件裝配過程參數(shù)控制
a.接觸點(diǎn)導(dǎo)電樹脂的用量。
b.確保搬運(yùn)安裝過程安全，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(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)。
說明：以上設(shè)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(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)律切換來進(jìn)行（之前有篇單獨(dú)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(jìn)行泄漏測試。
4）密封墊片加工過程參數(shù)控制
a.活化時間大約持續(xù)2~4小時，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、測試過程的熱管理。
以上工藝過程就是一個完整的電堆生產(chǎn)過程（FUEL CELL STACK）
另附：燃料電池電堆生產(chǎn)及系統(tǒng)集成相關(guān)企業(yè)：
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公司 |
省份 |
|
明天氫能 |
安徽 |
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全柴動力 |
安徽 |
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北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司（石墨） |
北京 |
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國家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司（金屬） |
北京 |
|
億華通 |
北京 |
|
中氫新能技術(shù)有限公司 |
北京 |
|
大洋電機(jī)（中山） |
廣東 |
|
佛山攀業(yè) |
廣東 |
|
佛山市清極能源科技有限公司 |
廣東 |
|
廣東國鴻氫能科技有限公司（石墨） |
廣東 |
|
廣州雄川 |
廣東 |
|
國鴻氫能 |
廣東 |
|
氫瑞 |
廣東 |
|
氫宇新能源（東莞） |
廣東 |
|
清極 |
廣東 |
|
深圳南科體料 |
廣東 |
|
深圳氣藍(lán)時代 |
廣東 |
|
深圳市南科動力科技有限公司（動力系統(tǒng)） |
廣東 |
|
深圳市氫雄燃料電池有限公司（動力系統(tǒng)，雄韜） |
廣東 |
|
中山喜馬拉雅 |
廣東 |
|
玉柴芯藍(lán)新能源動力科技有限公司 |
廣西 |
|
未勢能源（長城） |
河北 |
|
武漢喜瑪拉雅光電科技 |
湖北 |
|
武漢中極氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司 |
湖北 |
|
武漢眾宇 |
湖北 |
|
德威新材 |
江蘇 |
|
佛爾賽 |
江蘇 |
|
江蘇氫電新能源有限公司 |
江蘇 |
|
江蘇氫途 |
江蘇 |
|
江蘇清能新能源技術(shù)股份有限公司（石墨） |
江蘇 |
|
江蘇興邦能源科技有限公司 |
江蘇 |
|
南通百應(yīng) |
江蘇 |
|
蘇州中氫能源科技有限公司 |
江蘇 |
|
宇石能源（南通）有限公司 |
江蘇 |
|
大連新源動力 |
遼寧 |
|
遼寧北方國氫能源科技 |
遼寧 |
|
海卓科技 |
山東 |
|
濰柴動力（石墨） |
山東 |
|
風(fēng)氫揚(yáng)氫能科技（上海）有限公司 |
上海 |
|
航天氫能（上海）科技有限公司 |
上海 |
|
燃銳/德燃動力 |
上海 |
|
上海安池科技有限公司 |
上海 |
|
上海杰寧新能源 |
上海 |
|
上海捷氫科技有限公司 |
上海 |
|
上?？臻g電源研究所（航天、潛艇、水下） |
上海 |
|
上海楞次新能源汽車科技有限公司（武漢泰歌氫能汽車有限公司） |
上海 |
|
上海攀業(yè)氫能源科技有限公司 |
上海 |
|
上海氫晨新能源科技有限公司（金屬） |
上海 |
|
上海神力科技有限公司（石墨） |
上海 |
|
上海重塑科技 |
上海 |
|
上燃動力 |
上海 |
|
英飛騰（中國）有限公司（叉車氫電） |
上海 |
|
東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司（石墨） |
四川 |
|
愛德曼氫能源裝備有限公司（金屬） |
浙江 |
|
鋒源 |
浙江 |
|
氫航 |
浙江 |
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