氫燃料電池電堆組裝加載壓力探討

       氫燃料電池采用氫氣作為燃料，通過催化劑，產(chǎn)生電化學反應，產(chǎn)生電能，并生成水。氫燃料發(fā)動機被逐漸用于商用車、乘用車上，氫燃料電池具有氫氣充氣快，電池功率密度高，續(xù)航里程長、無污染等特點，逐步被世界各國所重視。

       電堆由十幾種不同物料，幾百片物料按一定順序疊放在一起，且每種物料尺寸及物理特性不一樣，需要解決物料識別、取料、拍照、放料等問題。不僅要保證電堆堆疊整齊（±0.1mm)；而且還要求電堆嚴格控制電堆加載壓力和速度，在加載過程中沖擊小，釋放電堆內(nèi)應力，精準控制加載壓力、速度和行程。

       目前氫燃料電池主要有石墨板雙極板、金屬雙極板及復合雙極板組成電堆。因每種材料有其優(yōu)缺點，應用于不同的場景。雖然石墨板與金屬板電堆制造工藝不同，但是石墨板和金屬板在疊堆組裝工藝上還是有相同之處。都是將雙極板、膜電極等物料疊放整齊；然后經(jīng)過加載、捆扎（螺栓聯(lián)接或鋼帶焊接等工藝），經(jīng)過氣密性檢測等工序，完成對電堆組裝。電堆疊堆后，經(jīng)過壓機加壓、保壓、卸載等工序，釋放電堆的內(nèi)應力。只有了解電堆加載壓力工藝，嚴格控制加載壓力，才能保證電堆在批量生產(chǎn)中穩(wěn)定性、一致性。         

       惠州綠?？萍?/a>有限公司根據(jù)對氫燃料電池裝堆工藝多年實踐，在組裝過程中，為了保證電堆一致性，應該從壓機選型上和控制模式上科學選擇；根據(jù)不同極板電堆合理訂制壓堆工藝，精準控制電堆壓力，如何測量電堆壓力，以及了解加載電堆壓力和電堆氣密性的關系。下面從以下幾個方面進行探討。

一、壓機選型

       壓機有液壓、氣壓和伺服壓機。但根據(jù)電堆加載特點，應該選擇伺服壓機。伺服電缸結構簡單，精度高。伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機的高速高精度旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成高精度的直線運動，具有高剛性、無噪聲、抗沖擊力強、維護少等優(yōu)點。伺服壓機見圖1。

       伺服壓機具有以下特點：

       1、高精度運動控制功能，具有通訊功能；

       2、數(shù)據(jù)采集全閉環(huán)控制，準確控制電動缸產(chǎn)生的推力、速度及位置；

       3、全閉環(huán)控制，定位精度0.01mm；

       4、多段速功能，可以任意調(diào)整每段速度和位置參數(shù)，定位位置準確；

       5、保壓時間設置，力-時間、壓力-速度曲線；

       6、采用速度模式或位置模式；

       7、控制上下模平行度≤0.03mm；

       8、最大加載壓力10T。壓力大小根據(jù)客戶需求確定。

       根據(jù)電堆加載特點，伺服電缸選擇速度模式或位置模式兩種功能：

       1、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度?？梢苑侄喽螇毫?速度控制。

       2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。  

二、電堆內(nèi)應力釋放

       電堆由上百片的雙極板和膜電極疊在一起，在加載過程中，電堆是一個彈性體，電堆加載需要克服極板的形變、以及密封圈的變形；電堆加載時，力是從上向下傳導的，需要根據(jù)電堆特點，合理選擇多段壓力-速度模式，減少沖擊力，特別是石墨板電堆，釋放電堆內(nèi)應力，防止石墨板開裂或滑移，保證電堆內(nèi)壓力均勻，電堆堆疊整齊。電堆內(nèi)應力釋放是保證電堆一次通過率關鍵。

三、電堆壓力與氣密性關系

       我們知道：雙極板與膜電極疊放在一起，密封圈在膜電極和極板之間形成的陽極或陰極密閉腔；每個腔相互之間隔離，不得串氣或泄漏的。如果一旦電堆一個密封腔串氣或泄漏，會導致整個電堆失效。因此電堆氣密性對電堆是否合格的標準。在電堆組裝前，必須進行氣密性檢測，檢測電堆三個通道外漏、內(nèi)漏。確認合格后，才進入下一個工序。

       電堆壓力越大，密封圈變形越大，密封效果越好。但是對于石墨板來說，壓力越大，石墨板受壓越大；如電堆受壓不均勻，可能導致極板出現(xiàn)微裂紋，造成電堆漏氣，影響電堆性能。一是保證電堆合理壓力，二是保證電堆內(nèi)內(nèi)阻在此壓力下最小，同時也保證腔內(nèi)的燃料氣體壓力降比較小。

       氣密性檢測是電堆組裝一個重要檢測指標，為了便于及時檢測，減少返修拆堆；一般采用在線檢測氣密性，在電堆加壓后，再組裝前，進行氣密性檢測，如檢測合格后，再進行電堆打包和固定。如發(fā)現(xiàn)泄漏，檢測出泄漏點，進行返修。

四、電堆壓力控制

       電堆壓力是電堆一個非常重要的指標，必須控制電堆的壓力，保證電堆在生產(chǎn)過程中一致性，可靠性。根據(jù)工藝，電堆在加壓到一定壓力后，通過卸載，保證在一定壓力(F)或固定高度位置，再進行捆扎或螺栓固定。電堆采用多組螺栓固定時，當固定一個螺桿螺母時，壓力機顯示壓力降低，直到所有螺桿固定后，壓力機顯示壓力會降低到幾百?；蚪咏悖ㄒ妶D2)。電堆壓力N=F1+F2+F3+F4+F5≤F。N:電堆壓力；F(i):每個螺栓壓力；F：壓力加載到電堆壓力。

       伺服壓力機是閉環(huán)控制，當選擇位置模式時，壓機始終保持在一個固定位置，同時顯示在此位置（高度）壓力大小。當螺桿鎖緊后，電堆壓力逐漸被螺桿壓力所取代，所以壓力顯示值逐漸變?。煌ㄟ^壓力機壓力值的變化，就可以知道電堆壓力或螺桿鎖緊力大小。通過調(diào)整螺栓扭力可以精確控制電堆壓力。每個螺桿受力可以通過扭力扳手來調(diào)節(jié)。

       因電堆由成百片疊堆起來，因累計誤差，在不同位置，電堆內(nèi)壓力還是還是有一定區(qū)別的。一般通過電堆端板內(nèi)彈簧片來調(diào)節(jié)的。

五、鋼帶拉力測試

       根據(jù)設計不同，電堆采用不銹鋼帶激光焊接捆扎（見圖3），一個電堆通常由多根不銹鋼捆扎的。鋼帶軋彎采用模具成型，一次性自動焊接。通過壓機的壓力變化，知道電堆捆扎力。為了知道每根捆扎帶拉力是否均勻及拉力大小，采用應變片測量每根鋼帶的拉力。經(jīng)過對鋼帶拉力分析，可以了解鋼帶焊接電堆產(chǎn)品一致性的。

六、小結

       電堆加載壓力控制是電堆一個重要指標。一是從硬件上提高壓機精度；二是從工藝上，了解石墨板或金屬板電堆特性，在壓堆過程中釋放電堆內(nèi)應力。不論是捆扎帶還是螺栓聯(lián)接，保證電堆氣密性可靠，電堆性能穩(wěn)定性。要保證產(chǎn)品一致性，必須精準控制電堆的壓力。