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来源 | 氢眼所见
氢燃料电池膜电极(MEA)生产工艺 膜电极(MEA)作为氢燃料电池或系统的核心八大件之一,国产化的MEA对整个燃料电池降本非常重要,当然目前国内已经有一些代表的厂家建立了自己的半自动或者全自动产线。本文基于外部资料的生产工艺给大家做一些分析和介绍,更便于大家理解。 MEA实物图片 一、加工流程工艺总述。 以热转印法为例进行工艺介绍: 催化剂浆料配置——催化剂涂布到承载体聚合物膜上——热转印到PEM上——去除承接催化剂的聚合膜——密封边框加工——形成MEA 二、分工艺说明 1.催化剂浆料配制 1)物料准备 阳极浆料:重量比约15%的Pt-C催化剂、重量比约40%的去离子水和40%的甲醇类有机溶剂、约5%的聚离体溶液做粘合剂。 阴极浆料:重量比约20%的Pt-C催化剂、重量比约35%的去离子水和35%的甲醇类有机溶剂、约10%的聚离体溶液做粘合剂。 2)浆料分散设备 说明:分散设备可以用浆式搅拌机、球式搅拌机、超声波分散机等设备。 3)分散搅拌,浆料混合均匀。(阴阳极的成份差异需要分别配制加工) 4)配制过程参数控制: a.阴极铂载量:0.4 mg/cm² b.阳极铂载量:0.1 mg/cm² c.环境控制:无污染物 d.分散搅拌时间:>1h e.建议搅拌温度:2摄氏度 f.建议搅拌转速:600~4000rpm 5)影响品质因素 搅拌分散时间、温度,环境 6)品质特征 多孔、粘度、铂分布的均匀 2.催化剂浆料的涂布和干燥 将阴阳极催化剂浆料分别涂布到载体(一种离型膜)上并固化 1)材料准备: 配制好的催化剂浆料、一种聚合物膜 2)设备:浆料喷枪或其他替代设备(如转辊式丝网印刷、喷墨印刷、刮刀涂布等等)、加热传送带、IR/DC在线监测设备。 3)过程参数和要求 a.阳极膜厚:3~15µm;阴极膜厚:10~30µm b.供料速度:0.1 ~1 m/min c.干燥时间:约4分钟 d.干燥温度:加热气流约30~70度;加热辊设定约120~160度 4)影响品质因素 a.催化剂浆料粘度 b.使用的工具或设备 c.干燥设备温度 5)品质特征 a.涂层均匀一致 b.涂层厚度 c.涂层干燥度 d.粒径大小 3、将固化的催化剂层热转印到PEM上 将固化的催化剂层热转印到PEM上 1)材料准备: 加工好的分别附着在聚合物(膜)表面的阴阳极催化剂、质子交换膜卷料(PEM)。 2)设备:传送带、热压辊、去除废料聚合物膜的转辊。(一种定制设备)。 3)过程参数和要求 a.线拉力:150 - 250 N/cm。 b.热压辊温度:100 - 170 °C。 4)影响品质因素 a.承接催化剂层的聚合物膜的品质(离型效果,催化层能不能正常剥离)。 b.供料速度和辊子压力以及温度的组合。(决定催化层和PEM的接着效果)。 c.压力持续时间。 5)品质特征 a.聚合物膜无残留。 b.聚合物膜层对催化剂层没有损坏。 c.催化剂层在PEM上的良好附着。 4、膜电极(MEA)密封边框的加工 密封边框加工方式流程示意图 1)材料准备: 上制程加工好的两面涂有阴阳催化剂的卷料、涂布有接着层的密封边框卷料(材料为PI、PET、PEN等) 2)设备:传送带、转向辊、定制的模切辊、层压辊、真空模切辊(可以是一种定制设备)。 3)过程参数和要求 a.供料速度:最高可达30m/分钟 b.根据产品几何形状定制的辊模。(切孔) 4)影响品质因素 a.各辊轴的同向、同轴平行对齐等。(多层料不能跑偏) b.边框和CCM之间的位置公差。 5)品质特征 a.密封边框的精准定位 b.MEA表面无污染 c.密封边框与CCM的连接强度 至此一个完整的MEA卷料就形成了 三、其他CCM法简单介绍 目前一般还有以下两种方式:(还有一种GDE的方式:即将催化剂浆料直接涂布到气体扩散层GDL上,本章先不做讨论) 1.直涂式 直涂式CCM法 2.通过传送辊的间接涂布式样 传送辊的间接涂布式CCMkaiyun.com
工艺流程图 GDL工艺说明: 二、GDL的生产、与MEA的贴合具体工艺详解 1.切碎碳纤维 切碎碳纤维的工艺流程示意图 1)物料准备 干燥的碳纤维材料。 2)切碎纤维所有设备 压辊、刀片辊、带有聚合塑料齿的钢辊、碎纤维接料斗。(也可用切断机替代以上设备实现切碎纤维的工艺) 切碎碳纤维原理示意图 说明:主要是实现碳纤维束切断,可以用其他工艺替代。 3)启动设备切碎碳纤维。 工作原理为:图示蓝色聚合塑料齿压住碳纤维,黄色刀片辊图示灰色为切刀切断碳纤维,图示黄色为含有高压气流的聚合塑料齿用来给切割施压和将切断的碎料脱落。 4)切碎过程参数控制: a.切割速度:9m/分钟 b.纤维切断长度:6~12mm c.压辊压力:0.1MPa 5)影响品质因素 切刀的锋利程度、切刀材料和形状 6)品质特征 碎纤维的表面形状和外观 2.形成碳纸(造碳纸) 形成碳纸的流程示意图 1)材料准备 上制程加工好的碎纤维、聚合物粘结剂、水。 2)所用设备 料斗(装碳纤维和粘结剂混合悬浮液)、斜筛网、压辊、加热辊、传送带(如上图设备部件标注)。也可以采用类似无纺布等生产工艺设备替代。 3)加工流程: a.悬浮液从料斗均匀分布到筛网上,筛网可以将悬浮物留在网带上,其余溶剂以及水分从网眼向下排出。 b.经过压辊挤压整平排水形成为干燥的碳纸。 c。潮湿碳纸经过多次热辊干燥形成干燥的碳纸同时粘结剂也固化了。 d.通过冷却压延结构形成最终碳纸。 e.采用质量传感器监控碳纸质量分布均匀度等。 4)造纸过程参数控制 a.生产能力:300~320平方米/小时。 b.比重15~70g/平方米。 c.材料厚度:150~300 µm。 d.粘合剂含量:≤25%。 e.采用质量传感器监控碳纸质量分布均匀度等。 5)影响品质因素 悬浮液的含水量、压延过程间隙和压力的控制、纤维分布状况、粘合剂的均匀分布、碳纸张力等。 6)品质特征 碳纸厚度均匀、材料表面平滑、碳纸湿强度、表面无破坏。 3.碳纸树脂浸渍 碳纸树脂浸渍工艺示意图 1)所需材料: 前制程制备好的干燥碳纸、热固树脂(如酚醛树脂等) 2)所需设备: 传送辊、压辊、导向辊、隧道式烤炉、浸渍槽等。(可以采用红外干燥以及分切后隔离堆叠的方式去替代) 3)加工流程: a.用热固树脂(例如酚醛树脂)浸渍碳纸,以获得所需的材料强度和孔隙率。此外,经过石墨化处理后,导电和导热增加。 b.通过压辊去除多余的液体。 c.在150度的隧道式烤炉内挥发残留溶剂并固化树脂。 4)树脂浸渍过程参数控制 a.干燥温度:150度。 b.材料厚度:200~270 µm。 5)影响品质因素 浸渍所有树脂的材料成分构成、干燥时间、干燥温度。 6)品质特征 材料厚度和密度。 4.石墨化(为了获得更好的弹模量和更高的电气以及机械能、导热、抗氧化) 石墨化工艺示意图 1)所需材料: 前制程浸渍树脂后的碳纸。 2)所需设备: 传送辊、烤炉(在氮气或者氩气或者真空状态的环境内,温度约为1400~2000度)。可用惰或者真空环境的批量碳化设备替代。 3)加工流程: a.碳纸在惰气体环境(氮气、氩气)或在真空中下的熔炉中加热,加热至约1400-2000°C的温度(在间歇过程中超过2000°C)。 b.烤炉内会有不同的温度区,最后在冷却区冷却至常温。 c.最终形成厚度为150至300µm的材料。 4)石墨化过程参数控制 a.烤炉过程温度:1500~2500度。 b.材料厚度:150~300 µm。 c.材料密度:0.2~0.3g/立方厘米 d.工艺时间:自动流水线≤5分钟、间歇式工艺:≤15分钟(以上均在惰气体或者真空状态下操作) 5)影响品质因素 石墨化过程温度曲线(趋势)管理、去除热解产物的低温石墨化阶段、烤炉的惰工作环境。 6)品质特征 树脂的热解度≥99.5%、产品无死角全覆盖、电导率、碳含量。 5.憎水处理 憎水处理工艺流程示意图 1)所需材料: 前制程石墨化处理后的碳纸、憎水剂(PTFE类、氟乙烯、丙烯(FEP))。 2)所需设备: 传送辊、隧道烤炉、压辊、导向辊、浸渍槽等。(可以用喷涂、涂布等其他工艺来代替处理) 3)加工流程: a.将GDL基板在PTFE浸渍槽中浸渍。 b.经过压辊去除多余溶液,有助于调整疏水。 c.GDL中的PTFE可以由悬浮液的比例进行调整。 d.通过烤炉干燥去除剩余溶剂,约在300°C-350°C下烧结将PTFE颗粒结合到基材上。 e.干燥过程的速度影响PTFE在材料中的分布。快速干燥将导致PTFE保留在表面区域,而缓慢干燥能确保整体分布均匀。 4)憎水处理过程参数控制 a.干燥温度:300~350度。 b.PTFE质量分数:5~10%。 c.材料厚度:200~270 µm。 5)影响品质因素 憎水剂的成分、干燥时间、干燥温度。 6)品质特征 PTFE的均匀分布。 6.微孔层MPL烧结(主要作用是反应气体均匀分布和水管理,去除液态水) 微孔层MPL烧结工艺流程示意图 1)所需材料: 前制程憎水处理后的碳纸、MPL材料(由碳或石墨颗粒和聚合物粘合剂(如PTFE)组成,其孔径在100至500 nm之间;碳纸孔径一般在10~30 µm之间)。 2)所需设备: 传送辊、隧道烤炉、涂布设备、纵向分切刀具、在线摄像监控系统等。(可用的替代设备狭缝涂布、丝网涂布、喷涂等) 3)加工流程: a.用刮刀将MPL浆料涂布于前制程加工好的材料上,大约厚度<50 µm。 b.采用慢干的方式可以有效改善裂纹,同时增加MPL层的附着力。 c.对干燥后的GDL进行分切,经过CCD进行品质检查,标记缺陷产品,最终采用离型膜分隔包装。 4)MPL烧结过程参数控制 a.MPL孔径:100~500nm。 b.烧结过程时间:≤10分钟。 c.烧结过程温度:250~350度(逐渐温升有利于改善干燥效果) d.MPL层厚度:<50nm。 5)影响品质因素 憎水剂的成分、干燥时间、干燥温度。 6)品质特征 MPL的附着力、干燥温度不能超过其熔点、MPL表面无损平滑。 7.完整的GDL与前制程加工好的MEA贴合 最终贴合工艺流程示意图 1)所需材料: 成品GDL、上章节内容里加工好的MEA、热压粘合剂。 2)所需设备: 传送辊(带)、导向辊、粘结剂涂布设备、热压辊、刀模辊、纵向切割刀模、交叉切割模。(其他不连续的贴合生产设备、粘合剂涂布设备) 3)加工流程: a.CCM在两侧连接到GDL,然后分离。形成带保护膜层的MEA。。 b.将粘合剂涂抹在GDL上,根据需要的几何形状对GDL进行冲切孔。 c.冲切好孔位的GDL定位在MEA密封边框的顶部和底部。 d.经过热压进行连接。 e.根据产品工艺设计进行纵横向切割。 f.由于材料的特导致该加工过程位置精度不是很好管控,需要特别注意公差管理。 4)MPL烧结过程参数控制 a.热压温度:100~160度。 b.接触压力:1.000 ~10.000 kgf/cm²。 5)影响品质因素 整个加工系统轴向、径向角度和偏移量的管控,供料速度、热压温度和压力、以及时间的组合管理,主动压力持续时间。 6)品质特征 GDL的位置精度、连接强度、切割几何形状的精确度。
金属板双极板结构功能说明图 金属双极板工艺流程总述 金属双极板工艺流程图 工艺说明: 不锈钢板原材料表面处理(镀层)——流场结构成型——分离切割——焊接——气密测试——密封垫片加工——成品 一、金属双极板(BPP)各具体分工艺详解 1.金属板镀层 金属板镀层工艺流程示意图 1)物料准备 不锈钢板原材料(根据自行设计决定厚度)、镀层靶材(这里是指PVD工艺靶材) 2)PVD镀层所需设备 传送带、板材清洁设备、真空镀(PVD)设备、X光在线监测设备。 说明:镀层可选替代材料如氮化钛、氮化铬、非晶形碳等;工艺也可以用化学镀(CVD)、渗氮处理、电镀等方式替代。 3)PVD加工流程 a.先对原材料板材两面进行清洁并检查品质。 b.将清洁好的板材送入PVD设备炉腔内。(真空或者惰气体工作环境) c.采用例如金、钛、铝等靶材,被炉腔内等离子体形成的离子轰击。靶材的原子溶解,移动到基底(此处为原材料)并扩散到其表面形成镀层。 d.用X光用检查镀层的膜厚。 4)PVD过程参数控制: a.温度:450-500摄氏度。 b.真空压力:1x10-1-1x10-7mBar。 c.镀层厚度:0.1–6.3µm。 d.工作时间:约2-5分钟。 5)影响品质因素 PVD惰工作环境、镀层材料、基材形状。 6)品质特征 电导率以及耐蚀。 2.成型(流场成型) 流场结构成型的工艺流程示意图 1)材料准备 前制程镀好的金属板材。 2)所用设备 模具(流场形状)、液压成型机、传送供料系统。(该制程有热压、拉伸、辊对辊成型、冲压等工艺方式可替代) 3)加工流程: a.将镀好的板材送入成型机台内,并在模具下方定位。 b.上下合模并压紧材料。 c.注入高压水使产品成型(根据模具形状)。 d.可以一模多穴提升产量。 e.最后再对成型好的半双极板进行清洁。 4)成型过程参数控制 a.成型压力:1.000-4.000Bar。 b处理时间:约2-10秒/模。 c.一般选取材料厚度:0.05-1mm。 d.工作介质:水。 5)影响品质因素 上下模夹紧力、成型(水)压力、基材拉伸能、流场的几何形状尺寸、机台的稳定。 6)品质特征 无破损、流场均匀一致、产品一致、(流场外形)无回弹变形。 3.半场板分离和切割 半场版分离和切割流程工艺示意图 1)所需材料: 前制程成型并清洁好的半双极板。 2)所需设备: 传送带、激光切割机(可用冲切、剪切、远程激光等替代工艺) 3)加工流程: a.采用激光切割加工极板外形轮廓。 b.高能激光使得外形切割完成。 c.激光是X-Y table可移动式,通过移动实现几何形状的加工。 d.对于有没有做过镀层的材料都可以实现切割(有些厂家将镀层工艺放在后续) 4)分离、切割过程参数控制 a.工作范围:500-1.500mm。 b.激光输出功率:500–2.000 W。 c.进给速度:在壁厚为0.2 mm时,20-300米/分钟(切割) d.加工精度:10-50µm 5)影响品质因素 激光类型、加工精度、切割速度、激光聚焦、产品污染管控。 6)品质特征 边缘无毛刺、镀层无损伤。无变形翘曲。 4.上下半极板连接加工 极板焊接工艺示意图 1)所需材料: 前制程切割分离好的半极板。 2)所需设备: 机器人激光焊接机、工作台。(可用粘结贴合、钎料助焊、添加剂制造等工艺替代) 3)加工流程: a.两块儿半极板焊接(连接)在一起形成双极板(BPP)。 b.利用聚焦的激光束产生高能量使得金属熔化形成焊接缝。 c.为了避免焊接过程材料氧化,需要在惰环境下进行。 d.可以采用焊缝检测工具进行焊接质量在线监控。 4)焊接过程参数控制 a.CT(工作时间):10-120秒/片。 b.焊接速度:<60 m/min。 c.激光功率:约500-1000 W。 d.焊接材料厚度:约100-250µm。 5)影响品质因素 半极板的定位和拉紧放平、焊缝热影响区的控制、焊点的工艺温度、激光的波长、惰工作环境的类型。 6)品质特征 组件翘曲变形度、焊接点的强度、介质密封焊接、没有粉末痕迹。 5.致密(泄漏)测试 泄漏测试工艺流程示意图 1)所需材料: 前制程焊接好的双极板(BPP)、测试用的气体介质(空气、氮气、氦气等)。 2)所需设备: 泄漏检测仪(带有端板)。(可用流量测试、超声波检测等其他程序替代) 3)加工流程: a.检查双极板是否泄漏。 b.利用泄漏测试仪,将加工好的BPP置于真空室内,充满试验介质(如氦等),然后测量其分压。 c.在试验室中试验介质分压升高时,可使用质谱仪检漏仪(MSLD)识别双极板的泄漏。 d.在压降测试中,将空气作为测试介质送入被测对象,并通过系统中的气压下降检测其泄漏。 e.通过泄漏试验的基本条件应由产品需求标准确定。通过泄漏试验后,双极板的生产就完成了。 4)测泄漏过程参数控制 a.测试压力:约1–1.5Bar。 b.CT(工作时间):约20-60秒。 c.测试灵敏度:3*10-2mBar/秒(空气),2x10-6 mBar/秒(氦气)。 d.试验气体:空气、氦气、氮气、氢气。 5)影响品质因素 测试压力、泄漏仪的精准度、输气管道的几何形状。 6)品质特征 双极板无破损、泄露符合标准。 6.双极板密封件加工 说明:这个工序有很多种加工方式:比如点胶、印刷、模内成型、以及预制件粘结等。当然都需要去材料和工艺对应。 双极板密封件加工工艺流程示意图 1)所需材料: 前制程经泄漏测试的BPP、密封胶(有多种可选材料但也需要和加工工艺对应)。 2)所需设备: 印刷机、根据需密封加工区域制作的网版。 3)加工流程: a.可以通过丝网印刷的方式实现密封垫片的加工。 b.印刷机上的刮刀将密封材料挤压到产品需求区域(网版工艺设计决定涂布区域)。 c.网版图像区边缘溢出或渗透(避免污染非密封需要区),所以网版设计的经验很重要,可以通过图形的调整来得到改善。 d.根据材料所需条件进行干燥固化。 4)密封垫片加工过程参数控制 a.循环时间:<3秒。。 b.密封件厚度:0.3–0.5 mm。 c.刮墨刀速度:50mm/秒。 5)影响品质因素 印刷速度、印刷网版高度(网版与承印物之间距离)、印刷剂量。 6)品质特征 密封材料印刷区的位置精度、统一均匀、干膜厚度、材料的固化。
燃料电池裸堆示意图 氢燃料电池电堆生产工艺流程总述 氢燃料电池电堆组装工艺流程图 工艺说明: 堆叠和预装配——压缩——张紧——泄漏测试——定型装配——活化和测试——成品 氢燃料电池电堆组装具体分工艺详解 1.堆叠和预装配 氢燃料电池电堆堆叠工艺流程示意图 1)物料准备 准备好的原料、半成品零部件,具体包括MEA(含GDL)模组、BPP、后端板、拉杆(或包扎钢带)、集流板、绝缘板等。 2)堆叠和预组装所需设备 机器人、组装定位治具等。 说明:可替代的堆叠方式有人工堆叠、全自动供料堆叠、机械手精准定位堆叠、旋转机械手堆叠方式。 3)堆叠加工流程 a.开始时先将下端板和集流板、绝缘板放到组装工作台上定位好。(也有将绝缘板和端板做成一体的结构) b.需注意MEA、BPP的产品可追溯,可以引入Barcode系统等。 c.将MEA、BPP(含密封垫片)、MEA、BPP这样依次循环堆叠,直到达到设计所需求的数量为止。(当然有些厂商有将GDL和密封垫分离于MEA或者BPP,也没关系依次堆叠就好) d.最后,将有介质接口的端板以及集流板、绝缘板堆叠在最上层。 e.堆叠过程需要定位治具确保各部件边缘精确对齐。 4)堆叠过程参数控制: a.燃料电池数量:每千瓦2–10个单电池。目前常见的是每千瓦3~5片。 b.堆叠速度:每个组件<2.3秒。 c.组件定位精度:0.1 mm/100µm。 5)影响品质因素 无尘室工作环境、组件厚度精度:<10µm。 6)品质特征 每个单体电池厚度约1~2mm(和能相关,仅供参考)、组装定位的精准、无损坏。 2.预组装后的压紧