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和特嗨一起拆解｜一體化封裝電堆
燃料電池堆的封裝工藝對于其性能和安全性至關(guān)重要。封裝工藝需要確保電池堆內(nèi)部壓力分布的一致性，這對于電堆的穩(wěn)定性、壽命和功率密度等性能參數(shù)有著直接影響。燃料電池堆根據(jù)其不同的封裝結(jié)構(gòu)形式可劃分為螺桿、拉桿、綁帶、殼體一體化四種形式。
當(dāng)前燃料電池堆封裝方式多以螺桿、拉帶和綁帶封裝形式為主，有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配效率低和塌腰失效等劣勢，復(fù)雜的工藝會導(dǎo)致如封裝力或密封壓力分布不均勻等問題，這會引起氣體泄漏，降低發(fā)電效率，甚至引起氫氣爆炸事故。
一體化封裝方式集拉緊、固定于一體，由殼體直接承擔(dān)堆芯的壓裝力。堆芯壓裝后，套裝殼體固定堆芯，省略了螺桿、拉桿、綁帶等配件及緊固操作步驟。這種形式結(jié)構(gòu)簡易、成本低、可靠性高，提高了生產(chǎn)效率。
一體化封裝具備功率密度提升、集成化成都高、工藝簡化等優(yōu)勢，正成為目前車用金屬板電堆集成的重要發(fā)展方向。本文通過拆解一體化封裝工藝電堆總結(jié)其的技術(shù)特點(diǎn)。
01 功率密度的優(yōu)勢
由于采用外固定的一體化封裝工藝，簡化了電堆殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升了殼體內(nèi)部空間利用率，同時M車型膜電極采用了多孔質(zhì)碳載體，在保證性能的同時減少了單電池片數(shù)，進(jìn)而減小了電堆的體積。粗略估算M車型電堆（含殼體）體積，僅為同功率級別的拉桿式封裝工藝電堆體積的70%，對應(yīng)的體積功率密度高出52%。
M車型一體化封裝電堆尺寸
02 集成化設(shè)計思路
集成化
承載組裝力的氣口端板和承壓端板直接與封裝殼體連接，封裝殼體是承載堆芯組裝力的直接媒介。氣口端板為注塑一體化端板，通過螺栓與封裝殼體連接。承壓端板活裝于殼體內(nèi)部，通過安裝于殼體外部的頂緊螺栓調(diào)節(jié)電堆壓縮位移。
氣口端板接口示意圖
電堆盲端孔位示意
輕量化
電堆及FCDC總成高度集成，殼體均為鋁合金材質(zhì)。FCDC居上無下蓋板，電堆居下無上蓋板，二者互借殼體結(jié)構(gòu)合二為一，省掉兩個蓋板的重量。
電堆與DCDC總成分離過程
小型化
CVM封裝于電堆及DCDC總成內(nèi)，安裝在電堆上方，DCDC殼體留有其布置空間，不占用電堆的橫向空間，且總成外部無CVM維修口，設(shè)計緊湊。
CVM布置位置
工藝簡化
上殼體、下殼體采用壓鑄方法制成，上殼體的橫梁具有導(dǎo)向及拉帶的作用。電堆上殼體與下殼體通過攪拌摩擦焊方法形成，直接省掉了螺栓安裝過程和密封工藝。
電堆上下殼體攪拌摩擦焊
03 一體化封裝工序
通過M車型電堆拆解過程中觀測到殼體孔位，單電池及承壓端板定位結(jié)構(gòu)等，推測電堆封裝工序如下，具有工序少，自動化程度高的特點(diǎn)：
①壓裝前，將堆芯縱置于壓機(jī)之上，氣口端版位于堆芯底部，承壓端板位于堆芯頂部，堆芯兩側(cè)通過定位工裝保證堆疊不錯位，殼體通過工裝固定在壓機(jī)上部，殼體預(yù)留有液壓桿穿過孔位；
②液壓桿將承壓端板從上往下向堆芯施壓，當(dāng)壓緊時，移除定位工裝，保持壓緊狀態(tài)；
③殼體通過工裝沿液壓桿方向從上往下安裝，下部與氣口端板接觸，上部與承壓端板接觸；
④下部氣口端版通過螺栓與殼體連接，上部頂緊螺栓連接于殼體將承壓端板頂緊。
04 總結(jié)
通過拆解M車型電堆，了解到一體化封裝在功率密度提升，集成化、輕量化、小型化，生產(chǎn)效率提升等方面有諸多優(yōu)勢，但對密封性、安全性、穩(wěn)定性提出了較高的要求?？梢钥隙ǖ氖且惑w化封裝正成為電堆集成的重要發(fā)展方向。后續(xù)我司將繼續(xù)分享一體化封裝工藝相關(guān)內(nèi)容，如密封、絕緣、防塌腰設(shè)計等。
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