氢燃料电池电堆组装加载压力探讨

       氢燃料电池采用氢气作为燃料，通过催化剂，产生电化学反应，产生电能，并生成水。氢燃料发动机被逐渐用于商用车、乘用车上，氢燃料电池具有氢气充气快，电池功率密度高，续航里程长、无污染等特点，逐步被世界各国所重视。

       电堆由十几种不同物料，几百片物料按一定顺序叠放在一起，且每种物料尺寸及物理特性不一样，需要解决物料识别、取料、拍照、放料等问题。不仅要保证电堆堆叠整齐（±0.1mm)；而且还要求电堆严格控制电堆加载压力和速度，在加载过程中冲击小，释放电堆内应力，精准控制加载压力、速度和行程。

       目前氢燃料电池主要有石墨板双极板、金属双极板及复合双极板组成电堆。因每种材料有其优缺点，应用于不同的场景。虽然石墨板与金属板电堆制造工艺不同，但是石墨板和金属板在叠堆组装工艺上还是有相同之处。都是将双极板、膜电极等物料叠放整齐；然后经过加载、捆扎（螺栓联接或钢带焊接等工艺），经过气密性检测等工序，完成对电堆组装。电堆叠堆后，经过压机加压、保压、卸载等工序，释放电堆的内应力。只有了解电堆加载压力工艺，严格控制加载压力，才能保证电堆在批量生产中稳定性、一致性。         

       惠州绿保科技有限公司根据对氢燃料电池装堆工艺多年实践，在组装过程中，为了保证电堆一致性，应该从压机选型上和控制模式上科学选择；根据不同极板电堆合理订制压堆工艺，精准控制电堆压力，如何测量电堆压力，以及了解加载电堆压力和电堆气密性的关系。下面从以下几个方面进行探讨。

一、压机选型

       压机有液压、气压和伺服压机。但根据电堆加载特点，应该选择伺服压机。伺服电缸结构简单，精度高。伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的高速高精度旋转运动转换成高精度的直线运动，具有高刚性、无噪声、抗冲击力强、维护少等优点。伺服压机见图1。

       伺服压机具有以下特点：

       1、高精度运动控制功能，具有通讯功能；

       2、数据采集全闭环控制，准确控制电动缸产生的推力、速度及位置；

       3、全闭环控制，定位精度0.01mm；

       4、多段速功能，可以任意调整每段速度和位置参数，定位位置准确；

       5、保压时间设置，力-时间、压力-速度曲线；

       6、采用速度模式或位置模式；

       7、控制上下模平行度≤0.03mm；

       8、最大加载压力10T。压力大小根据客户需求确定。

       根据电堆加载特点，伺服电缸选择速度模式或位置模式两种功能：

       1、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。可以分多段压力-速度控制。

       2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。  

二、电堆内应力释放

       电堆由上百片的双极板和膜电极叠在一起，在加载过程中，电堆是一个弹性体，电堆加载需要克服极板的形变、以及密封圈的变形；电堆加载时，力是从上向下传导的，需要根据电堆特点，合理选择多段压力-速度模式，减少冲击力，特别是石墨板电堆，释放电堆内应力，防止石墨板开裂或滑移，保证电堆内压力均匀，电堆堆叠整齐。电堆内应力释放是保证电堆一次通过率关键。

三、电堆压力与气密性关系

       我们知道：双极板与膜电极叠放在一起，密封圈在膜电极和极板之间形成的阳极或阴极密闭腔；每个腔相互之间隔离，不得串气或泄漏的。如果一旦电堆一个密封腔串气或泄漏，会导致整个电堆失效。因此电堆气密性对电堆是否合格的标准。在电堆组装前，必须进行气密性检测，检测电堆三个通道外漏、内漏。确认合格后，才进入下一个工序。

       电堆压力越大，密封圈变形越大，密封效果越好。但是对于石墨板来说，压力越大，石墨板受压越大；如电堆受压不均匀，可能导致极板出现微裂纹，造成电堆漏气，影响电堆性能。一是保证电堆合理压力，二是保证电堆内内阻在此压力下最小，同时也保证腔内的燃料气体压力降比较小。

       气密性检测是电堆组装一个重要检测指标，为了便于及时检测，减少返修拆堆；一般采用在线检测气密性，在电堆加压后，再组装前，进行气密性检测，如检测合格后，再进行电堆打包和固定。如发现泄漏，检测出泄漏点，进行返修。

四、电堆压力控制

       电堆压力是电堆一个非常重要的指标，必须控制电堆的压力，保证电堆在生产过程中一致性，可靠性。根据工艺，电堆在加压到一定压力后，通过卸载，保证在一定压力(F)或固定高度位置，再进行捆扎或螺栓固定。电堆采用多组螺栓固定时，当固定一个螺杆螺母时，压力机显示压力降低，直到所有螺杆固定后，压力机显示压力会降低到几百牛或接近零（见图2)。电堆压力N=F1+F2+F3+F4+F5≤F。N:电堆压力；F(i):每个螺栓压力；F：压力加载到电堆压力。

       伺服压力机是闭环控制，当选择位置模式时，压机始终保持在一个固定位置，同时显示在此位置（高度）压力大小。当螺杆锁紧后，电堆压力逐渐被螺杆压力所取代，所以压力显示值逐渐变小；通过压力机压力值的变化，就可以知道电堆压力或螺杆锁紧力大小。通过调整螺栓扭力可以精确控制电堆压力。每个螺杆受力可以通过扭力扳手来调节。

       因电堆由成百片叠堆起来，因累计误差，在不同位置，电堆内压力还是还是有一定区别的。一般通过电堆端板内弹簧片来调节的。

五、钢带拉力测试

       根据设计不同，电堆采用不锈钢带激光焊接捆扎（见图3），一个电堆通常由多根不锈钢捆扎的。钢带轧弯采用模具成型，一次性自动焊接。通过压机的压力变化，知道电堆捆扎力。为了知道每根捆扎带拉力是否均匀及拉力大小，采用应变片测量每根钢带的拉力。经过对钢带拉力分析，可以了解钢带焊接电堆产品一致性的。

六、小结

       电堆加载压力控制是电堆一个重要指标。一是从硬件上提高压机精度；二是从工艺上，了解石墨板或金属板电堆特性，在压堆过程中释放电堆内应力。不论是捆扎带还是螺栓联接，保证电堆气密性可靠，电堆性能稳定性。要保证产品一致性，必须精准控制电堆的压力。