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燃料电池封装生产自动化产线设计与开发
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发表时间:2018-03-05 15:19作者:文/深圳市世椿智能装备股份有限公司蔡奇志

在社会经济的飞速发展今天,随之而来的不仅是人类文明的进步,更有的是人类赖以生存的生态环境、空气逐渐恶化,以及能源的逐渐枯竭。

生态环境的污染和能源的消耗主要来然于汽车,随着城市交通需求的不断增长、居民收入水平的不断提高,汽车成为我国城市居民的日常交通工具,保有量不断增长。根据公安部交通管理局统计,截至2017年3月底,全国机动车保有量首次突破3亿辆,其中汽车突破2亿辆,仅次于美国位居世界第二。全国有49个城市汽车保有量超过100万辆,北京、成都、重庆、上海、苏州、深圳6个城市的汽车保有量更是超过300万辆。

汽车保有量的快速增长给城市环境和交通运行带来巨大压力。《中国机动车环境管理年报2017》的数据显示,2016年全国机动车排放污染物初步核算为4472.5万吨,其中一氧化碳3419.3万吨,碳氢化合物422.0万吨,氮氧化物577.8万吨,颗粒物53.4万吨。汽车是机动车污染物排放总量的主要贡献者,其排放的一氧化碳和碳氢化合物超过80%,氮氧化物和颗粒物超过90%。环境保护部发布的城市大气颗粒物源解析结果则表明,北京、上海、杭州、广州和深圳的机动车排放为首要来源,占比分别达到31.1%、29.2%、28.0%、21.7%和41.0%。南京、武汉、长沙和宁波的机动车排放为第二大污染源,分别占24.6%、27.0%、24.8%和22.0%。重污染期间,机动车排放的贡献率比日常情况更为显著。机动车污染已成为城市空气污染的重要来源,是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。

那么人类要生存、要发展,就必须制止生态环境的继续恶化,寻求高效、清洁的新型能源来替代原有能源已迫在眉睫、刻不容缓。

燃料电池(fuel cells,FCs)是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。它是一种将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)中的化学能,通过电化学反应过程直接转化为电能的电化学发电装置。它是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化的动力装置,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。

目前,我国已加入同发达国家在清洁能源研究开发领域的战略竞争。“燃料电池发电技术”被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划》。中国科学院启动科技创新战略行动计划重大项目——“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”。中科院和科技部为这项21世纪首选的洁净、高效的发电技术投资逾1亿元人民币。这标志着中国科学家在21世纪初为氢能时代的到来做好了准备。

燃料电池(Fuel Cell),是一种发电装置,干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来。是两种截然不同的两种装置,燃料电池正如其名,是继续添加燃料以维持其电力,所需的燃料是“氢”,其之所以被归类为新能源,原因就在此。氢燃料电池堆栈作为一个电化学反应池,其最为关键的技术核心为“质子交换薄膜”。    

质子交换薄膜位于阴阳两极板的中间,在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层,氢气由燃料电池的阳极进入,氧气(或空气)则由阴极进入,经由催化剂的作用,使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron),其中质子被由阳极进入的氧气,并由催化剂的作用分解的氧原子‘吸引’到薄膜的另一边。电子则会流动转移,经由外部电路形成电流后,到达阴极。在阴极催化剂之作用下,质子、氧及电子,发生反应形成水分子,因此水可说是燃料电池唯一的排放物,是真正意思上的零排放,无污染的新型能源。

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图1 燃料电池(Fuel Cell)结构图

在生产燃料电池关键技术就在于双极板、质子交换薄膜等部件封装。这些构件含有众多微细导气孔,涂胶工艺的微量化、精准性,决定了电池电堆的密封性能。良好的密封性能,不仅能缩减结构件尺寸,提高电池能量密度,而且还能提高燃料电池的使用寿命。

世椿智能在针对于燃料电池堆的密封装配做了大量的研发工作、还建立了双极板在点胶生产中的关键工艺,研发高效、高可靠性的精准涂胶成套装备,同时,研发上下游的物料分选、上料、贴合、锁附、热压、检测等自动化设备,构成一条完整的燃料电池封装生产自动化产线。

涂胶,我们研发了点胶机器人采用了日本的HTK高精度引动器,扎实、高钢性的结构设计,日本松下伺服电机的驱动,德国进口高精度微量点胶阀,实现了自动上下料,自动对位,自动点胶,其点胶精度可达到±0.05mm。

阴阳两极板的粘合,我们研发了全自动贴合机器人,我们自主研发了单轴运动机器人,研磨级丝杆及配合日本松下伺服电机,以及配合倍数链的输送,其阴阳两极板的贴合精度可达到±0.05mm,

胶水的固化,我们最先采用了立式烘烤炉,恒温控制在3%度的温控精度,胶水固化后,胶条的精度可达到±0.05mm。

由于燃料电池的封装对胶条的精度要求高,对其密封性能要求更为苛刻,对此,我们还研发了在线式胶形检测机器人和密封性检测机器人。胶形检测机器人可识别的胶形精度高达±0.005mm,密封性检测机器人的识别精度可达到±0.5%。筛选机器人是对检测部合格的胶形胶条进行自动识别,并提取区分开来。

在燃料电池的开发研究以及商业化,是实现节能和环保的重要手段。燃料电池的先进性和实用性已经得到公认,在加大对燃料电池的开发、研究与利用力度方面尽管还存在一些问题,比如电极材料、制造成本、催化剂等问题,但是瑕不掩瑜,加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。在发展燃料电池过程中,应该根据各种不同燃料电池各自的优缺点和发展障碍,有针对性地展开适宜的研究,使各种燃料电池都能发挥应有的作用。

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图2 燃料电池封装生产自动化产线

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