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双极板生产的步骤是什么？最常见的制造方法有哪些？
双极板在燃料电池和电解槽应用中的特殊性首先在于构建电堆所需的大量板材。此外，双极板的几何形状非常复杂，对组件的要求非常高。这种特殊的情况意味着，用于双极板批量生产的生产线也必须满足特殊要求。
用于金属双极板批量生产的完整生产线包括以下部分/步骤：
- 材料：根据双极板的应用，必须定义原材料。必须考虑计划应用的机械、电气、化学和热学要求。原材料的定义是第一个必要的步骤，并对所有后续步骤产生重大影响。
- 涂层：根据双极板的应用，有两种不同的方法：预涂层和后涂层。预涂层意味着材料在卷对卷过程中预先涂层。在后涂层的情况下，成品（金属双极板）在所有生产步骤完成后才进行涂层。
- 几何形状：金属双极板的几何形状定义通常是一个迭代过程，并根据计划的应用、计划的功率密度和计划的电化学能量转换过程的化学计量要求进行。此外，必须了解并考虑所有其他组件（如 MEA、GDL、密封和电堆概念）的边界条件。这三个要求——材料、涂层和几何形状——是金属双极板批量生产生产线设计的基本依据，同时已经包含了所有进一步经济考虑的相关输入。可以说，它们是生产线设计的“基因指纹”。
- 成型：可以使用多种不同的工艺来成型金属，例如液压成型、冲压、深冲或旋转成型。根据板材和工艺要求，使用一种或另一种方法。如果需要速度，例如，卷对卷工艺可能是一个不错的选择，前提是板材设计没有严格的公差。另一方面，如果工艺需要最高的精度、重复性和最严格的公差，液压成型是首选方法。
- 切割：成型后，板材获得其轮廓和气体进气的集管。通过激光熔融切割可以实现高精度和质量。这些很重要，因为板材的切割边缘在后续工艺中用作对齐元素，切割轮廓和成型通道结构之间的任何偏差都可能导致燃料电池或电解槽运行期间的问题。同样，切割边缘的质量对最终产品的质量有重大影响，因为只有完全无毛刺的切割才能满足电堆整体使用寿命的高要求。
- 焊接：由于电堆设计的概念，可能需要将单板（即阳极和阴极）焊接在一起。这需要单个组件的完美定位以及 100% 无间隙夹紧和气体冲洗，以实现理想的焊接结果。由于此工艺步骤也需要在短周期时间内达到最高精度，因此使用激光扫描技术的焊接是最合适的方法。
- 矫直：双极板的矫直是为了去除板材的翘曲。这是由于金属生产过程中和进一步加工过程中施加的残余应力引起的。矫直、平整的板材不仅便于后续工艺和电堆组装中的处理，还能提高电堆的使用寿命和效率。
- 清洗：在制造过程中，单板和双极板会被清洗，以为各自的后续工艺创造理想条件。此外，在所有生产步骤完成后，成品金属双极板会进行最终清洗。然后它“准备好堆叠”。
- 泄漏测试：根据金属双极板的设计，泄漏测试（=泄漏率）在单板或焊接的双极板上进行。根据客户定义的要求，无论是单个组件的泄漏率还是测量方法，测试都作为 100% 最终测试使用不同的方法进行。例如，使用环境空气的简单压差法、真空测试或氦气泄漏测试。考虑到每个组件的必要可追溯性，在此工艺步骤结束时，完成应用的数据矩阵代码与组件先前历史之间的完整注册和关联。
- 密封：根据电堆概念，然后应用密封。此工艺步骤也有不同的方法。从使用分配器单面或双面应用到使用丝网印刷的密封应用，再到使用注塑的工具化工艺，将必要的密封应用于单板或双极板。
双极板如何组装成燃料电池电堆？
电堆概念在设计阶段已经定义——与金属双极板的设计和所有所需组件一起。它构成了“基因指纹”的另一个组成部分，因为电堆概念定义了所有功能以及所有基本经济条件。
通常，堆叠是根据拾取和放置原则进行的，因为连续和不连续的过程必须结合。金属双极板使用索引特征对齐，并与其他组件（如膜、气体扩散层和必要的密封件）堆叠成完整的电堆，压紧，然后在进一步的工艺步骤中进行调节。
示例：双极板生产线
金属双极板制造中识别出的不同缺陷有哪些？常见的质量控制措施是什么？
- 材料：作为卷材供应的基础材料可能因带材宽度而厚度不同。这些必须在生产过程中进行校正。此外，原材料可能包含由轧制过程中的污垢引起的机械缺陷。使用预涂层材料时，也可能存在涂层缺陷和划痕。
- 泄漏：组件的密封性是功能的最重要前提，并通过泄漏测试进行 100% 测试。
- 翘曲：对于燃料电池和电解槽的使用，金属双极板有时堆叠并夹紧在数百个板材中。除了双极板外，还安装了极其灵活和敏感的组件，如膜、气体扩散层和密封件。如果使用的双极板不平整而是翘曲的，这会导致电堆压紧时组件之间的压力分布不均匀，从而对电堆的效率和寿命产生负面影响。如果产生的横向力太强，这甚至会导致敏感组件中的微裂纹，从而导致电堆的完全故障。
- 污染：任何类型的组件污染都可能导致 MEA（膜电极组件）的降解，并在运行期间导致燃料电池或电解槽的完全故障，或显著缩短使用寿命。因此，每个工艺步骤必须在清洁度和夹具材料选择方面进行精确检查和设计。
如何最小化金属双极板制造的环境影响？
最小化双极板生产的环境影响涉及在整个制造过程中采用可持续实践和技术。以下是减少双极板生产环境足迹的几种策略：
- 材料选择在减少环境影响方面起着至关重要的作用，因此选择具有较低环境影响的正确材料非常重要。例如，考虑在双极板生产中使用回收金属。回收的不锈钢可以显著减少对新原材料的需求。选择具有较低隐含能量和环境影响的替代材料，如轻质合金。
- 实施节能制造工艺。这可以包括优化机器效率、使用节能设备，并将可再生能源纳入生产设施。热电联产或联合热力发电（CHP）系统可能是最大化能源利用和最小化浪费的最佳选择之一。通过高效的材料使用和制造设施内的回收计划，尽量减少废物产生。建立回收废料和未使用材料的系统，减少对原材料的总体需求，并最小化与提取和加工相关的环境影响。
- 实施节水措施以减少制造过程中的用水量。考虑水回收系统，以处理和再利用设施内的水，减少与取水和排放相关的环境影响。
内容贡献者
Graebener® Bipolar Plate Technologies 隶属于 Graebener® Maschinentechnik，是一家位于德国 Netphen 和美国休斯顿的中型家族企业，拥有多个国际代表。20 年来，Graebener® 一直是首批专注于燃料电池和电解槽组件制造工艺和机器研发的公司之一。该公司致力于通过开发创新工艺和机器来设定制造技术的质量标准，这些工艺和机器有助于制造定制化、可集成、可扩展且经济高效的燃料电池和电解槽组件，如金属双极板。
最后更新：2023 年 11 月 15 日