零排放的钥匙，领略PEMFC电站系统的高效能源转换，及应用前景

文 |溪知许a

编辑|溪知许a

燃料电池被推崇为清洁、能效高的替代方案，可用于车辆的内燃机以及固定和便携式电力应用。在交通运输应用中，目前的焦点是直接氢燃料电池，如质子交换膜燃料电池，其中氢气的车载储存由氢气生成、输送和加注基础设施提供。

除了交通运输燃料电池应用外，目前还支持分布式发电燃料电池应用，其近期重点是运行于天然气或液化石油气的燃料电池系统，以及固定、便携式和辅助动力应用，早期市场进入将有助于燃料电池制造基地的发展。

与其他类型的燃料电池相比，PEMFC具有传递更高的重量和体积功率密度的优势，并且能够在较低的温度下运行，这导致快速启动时间和系统组件的磨损较少。因此PEMFC在交通运输和固定用途方面有广泛的应用。

与其他类型的燃料电池相比，PEMFC近年来在全球出货量和总出货功率方面占据市场主导地位，2015年全球出货量超过65％。PEMFC在2015年创造了超过20亿美元的收入，预计到2025年将产生120亿美元的收入。

PEMFC电站由四个主要子系统组成：燃料电池堆；平衡子系统，包括水和热管理模块、空气输送模块和氢气生成/储存模块；电力调节子系统和系统控制。燃料电池堆及其组件目前使用实验室制造方法进行制造，尽管规模已扩大，但并未采用高产量制造方法。

整个燃料电池电站通常通过集成其子系统来构建，但每个子系统都是通过劳动密集型的过程单独组装的。在这种情况下，需要制造研究和开发，以准备先进的制造和装配技术，用于低成本、高产量的燃料电池电站生产。

美国能源部已确定了PEMFC的高优先级制造研发需求。这些需求的摘要包括：确定燃料电池组件的物理和制造性能之间的关系，开发高速制造燃料电池组件的技术，在多个制造水平上确定PEMFC的成本，开发灵活、可调式的制造和装配过程，开发用于组装燃料电池堆的自动化工艺，建立灵活的自动化制造技术设施，开发用于快速燃料电池堆后装配测试的生产硬件，包括泄漏检测。

目前在质子交换膜燃料电池堆自动化装配过程领域的制造研发工作，介绍了目前的开发状况、成功演示、相关技术挑战以及克服这些挑战所使用的技术解决方案。这次回顾主要关注用于机器人抓握、处理和插入燃料电池堆中的燃料电池组件的工具设计，以及使用设计用于制造和装配策略实现自动化装配过程。jnty

尽管已经演示了一些燃料电池组件制造的自动化或半自动化过程，但本章的目的不是涵盖这些内容。虽然作者不知道有任何已发表或演示的自动化技术将燃料电池组件的自动化制造与燃料电池堆的自动化装配相结合，但他们将提供实现这一目标的策略。

质子交换膜燃料电池堆由多个单个电池串联连接而成，并夹紧在两个末端板之间，通常使用螺纹部件。单个电池由放置在两个电导性集流板之间的膜电极组件组成，这些电导性集流板在平面表面上制造了一系列通道。

MEA由五个组件组成：两个嵌在膜两侧的催化剂层以及分别连接在催化剂层另一侧的两个多孔气体扩散层。在燃料电池堆中，集流板在两个平面侧面都有流场。一侧用作一个单个电池的阳极流场，另一侧用作相邻单个电池的阴极流场。

在这种情况下，集流板被称为双极板，并且还起到将单个电池在电气上串联连接的附加作用。每个单个电池都配备了两个垫圈，位于每个流场的外围区域，旨在防止反应气体在阳极和阴极之间或超出边界泄漏。

目前燃料电池堆的组装主要是通过手工完成的，这是一个耗时的过程，涉及重复的工作循环，常常会出现人为错误。根据应用标准DFMA分析方法的最近一项PEMFC系统成本研究，包括Boothroyd-Dewhurst DFMA软件，估计手动组装PEMFC的时间为每个电池约0.64至0.83分钟。

这个结果可能支持这样的结论：与整体PEMFC系统成本相比，引入自动堆叠组装工艺带来的成本节约很小。在燃料电池原型开发的早期阶段，燃料电池堆可以通过手工组装，但一旦生产数量增加，引入自动化装配过程就变得经济上合理。

目前没有燃料电池公司具备每年生产超过几百个燃料电池系统的制造能力。为了过渡到基于氢的燃料电池交通系统，需要将生产速率提高三到四个数量级。

除了经济上的合理性，采用自动化过程装配PEMFC堆还有其他原因。燃料电池制造商必须增加生产量，以不断降低成本，并提高质量、可靠性、性能和安全性。采用自动化装配技术的合理性与其与工人和产品质量相关的客观和主观影响有关，这些影响与组装大量电池的燃料电池堆的重复工作循环的单调性有关。

20个电池PEMFC堆的手动组装过程平均持续时间比机器人组装过程长50％。与机器人执行的操作相比，手动操作的延迟部分是由于人工操作员进行重复工作循环时需要定期休息。

随着燃料电池堆的尺寸增加，这些延迟预计将显著增加。当自动化燃料电池组装过程集成到更大的自动化线路中时，进一步证明了自动化燃料电池组装过程的合理性，其中燃料电池组件也是使用自动技术生产的。

技术挑战 其中一个最显著的技术挑战是，当由精度有限且重复性不高、没有联动灵活性的机器人执行组装过程时，燃料电池组件在堆中准确对齐的困难。组装燃料电池堆需要完美地对齐双极板、MEA和垫圈。

组件的错位会导致燃料电池运行时产生反应气体的过度泄漏或阳极和阴极之间的泄漏。GDL必须适合于周边垫圈的中央开放区域，而不会重叠。GDL和垫圈之间必须有最小的间隙，以便在施加压缩载荷时能够在平面内膨胀。

为了避免在手动燃料电池组装过程中出现组件错位，通常会使用安装在一个末端板上的钢定位销，以及用于引导组件沿着销移动的燃料电池组件上的定位孔。

然而当由机器人手臂插入沿着具有一定定位公差、直线度和平行度的刚性定位销的燃料电池组件时，这种方法本身会导致燃料电池组件在插入过程中卡住和折断。在燃料电池组装过程中精确对齐燃料电池组件的挑战随着堆长度的增加而增加。

较早的燃料电池机器人组装研究将这些失败归因于薄燃料电池组件特有的低支撑比以及柔性MEA和垫圈的弯曲。后来成功的燃料电池机器人组装过程演示通过精心选择在定位销和定位孔之间以及GDL和周边垫圈之间的组合允许量，使用具有被动合规性的柔性定位销和末端效应器，成功解决了这些问题。

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在自动化组装过程中，第二个重要的挑战是需要由机器人末端效应器抓取和处理多样化的燃料电池组件。这些组件包括石墨双极板、薄而柔性的橡胶垫圈和膜电极组件。

最初的机器人组装过程演示基于使用多个机器人的昂贵工作单元，每个机器人都配备不同类型的末端效应器，用于抓取和处理特定的燃料电池组件。

尽管有挑战，但目前已有成功的自动化组装技术演示，通过选择合适的末端效应器和使用灵活的组件对位策略，使得机器人能够准确地抓取、处理和对齐燃料电池组件，成功地完成燃料电池堆的自动化组装。这些自动化装配技术的成功演示为将自动化燃料电池组装过程与生产燃料电池组件的自动化技术相结合提供了策略。

所以自动化装配PEMFC堆面临的主要挑战包括精确对齐燃料电池组件的困难以及需要处理多样化的组件。然而，通过合理选择装配策略和末端效应器，并结合柔性对位技术，这些挑战是可以克服的。

自动化装配技术不仅可以提高生产效率和降低生产成本，还可以改善工作条件和产品质量。因此自动化装配PEMFC堆在燃料电池技术发展和推广中具有重要的意义。

燃料电池组件的设计需要考虑DFMA原则以便成功演示燃料电池的自动化组装技术。之前有一些尝试使用非自动化设计的燃料电池组件来演示机器人组装过程，这导致了一些困难。为了降低制造成本和缩短产品开发时间，必须在燃料电池组件的早期设计阶段考虑DFMA原则。

燃料电池组件的设计必须包括能够在拾取和释放操作期间准确配合和对齐的设计特征，并且需要弥补机器人有限的准确性、重复性和缺乏灵活性。Boothroyd-Dewhurst DFMA分析方法提供了系统性的程序，用于评估和改进产品设计，以便组装容易，并根据组件设计特征来量化组装过程的时间和成本。

包括设计特征，使零件在组装中自动对位：由于机器人的有限准确性和重复性，这是确保零件在堆中插入时无故障的重要方法。提出了使用突起和凹槽的设计来实现双极板的自动对位。

由于MEA和垫圈的翘曲趋势，这种技术解决方案可能需要使用特殊的固定装置来固定组件，并由机器人控制器激活。这种解决方案可能会显著增加组装成本。对于在插入后对齐和固定组件的便利性，可以使用安装在底部端板上的定位销和燃料电池组件上的定位孔。

定位销和定位孔之间的间隙必须等于或小于垫圈和GDL之间的间隙。这样可以防止垫圈在插入后重叠MEAs。如前所述由于定位销在位置、直线度和平行度方面有一定的公差，并且由于机器人的有限准确性、重复性和缺乏灵活性，组件在自动插入过程中往往会卡住和断裂。

这个问题的解决方案是使用柔性对位销而不是使用钢制刚性销。当对位销由聚合物制成时，它们不需要在组装过程结束时从堆中取出，从而减少了组装成本。为了便于插入组件，可以在对位销上设计大的倒角。

机械手用于操纵PEMFC组件的末端效应器必须与燃料电池组件的设计相结合。它们必须能够弥补机器人的准确性、重复性和缺乏关节灵活性的局限性。

为了最大程度地减少组装所需的机器人数量，降低组装成本并实现灵活的机器人工作单元设计，最好设计能够操纵大多数类型的燃料电池组件的末端效应器。此外最好设计能够组装任意大小的燃料电池堆的末端效应器。

下部子组件还配备了一个翼板，带有两个定位孔，它们在拾取和释放操作期间与燃料电池组件上的定位孔对准。上部子组件将末端效应器连接到机器人手腕组件。

中间子组件的唯一作用是通过微型线性块和导轨将下部和顶部子组件相互连接，并为末端效应器提供被动柔性能力。为了实现任意大型燃料电池堆的机器人组装，此末端效应器的与机器人手腕组件相连的接口组件是偏心的，以防止燃料电池堆在拾取和释放操作时干扰机器人手腕组件。

成功演示燃料电池的自动化组装技术面临着一些挑战，包括准确对位燃料电池组件、设计灵活的末端效应器以适应不同类型的组件和不同尺寸的堆。

为了克服这些挑战，必须在燃料电池组件的设计阶段采用DFMA原则，确保组件具有适合自动化组装的特征。采用设计自动对位的特征、柔性对位销和使用真空吸盘的末端效应器是实现自动化组装的关键。

此外采用主动或被动的柔性对位可以弥补机器人的局限性，使燃料电池组件能够在自动组装过程中实现精确对位和组装。

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综合利用这些技术解决方案，可以实现燃料电池组件的高效自动化组装，加速燃料电池技术的发展，并为实现低成本、高产量的燃料电池动力系统提供重要支持。通过DFMA原则的应用和末端效应器的创新设计，未来可以期待更多实现自动化组装的成功演示，并推动燃料电池技术在交通和能源领域的广泛应用。