蔡海卫 周炳海
（同济大学 机械与能源工程学院 上海 202204）
氢燃料电池汽车作为一个新兴行业，正处于起步阶段。目前汽车行业普遍认为燃料电池电动汽车是减少二氧化碳排放、替换传统化石能源汽车的新科技[1-3]。但是燃料电池在量产过程中并非一帆风顺，其中最显著的质量问题为石墨双极板漏。本文列举了目前石墨双极板制程中存在的问题，通过对问题的解析，制定有效的防发生、防流出措施，从而改善石墨双极板的质量。
图1 膜电极污染触发单片电压最低值警报
导致石墨双极板泄漏的原因有很多因素，通过对各种因素进行全面系统的观察和分析，可以全面找出石墨板泄漏因果关系，进而寻找措施来促进问题的解决。下面对石墨板泄漏的进行5M1E分析，如图2所示。
图2 石墨双极板泄漏鱼骨图分析
3.1 “人”的因素进行分析
在石墨板清洗、烘干、刷胶、粘接成双极板的过程发现工人对石墨板的拿取手势各不相同，有的操作员工甚至只拿石墨板的一个边角就开始转运。由于石墨双极板属于脆性材料，操作不当极易引起碎裂。查看控制计划和操作指导书，均未对操作手法进行定义。最终评审小组的改善方法为：清洗、烘干、刷胶、粘接石墨板的过程中均需要双手夹持石墨板，禁止采用单手操作。
3.2 “机”因素进行分析
密封件粘贴在石墨板两侧密封槽内，由于工装设备定位孔（铝材）老化，密封件粘贴的位置开始渐渐偏离密封槽。导致石墨板上下的密封件对双极板形成剪切力，最终导致石墨板密封槽被压裂。最终评审小组的改善方法为：在定位孔（铝材）上加装耐磨的定位销套，保证密封件在石墨板密封槽内的尺寸不偏离。并对工装设备进行定期维护保养。
3.3 “料”的因素进行分析
石墨板在浸渍前，必须确保石墨板表面无水和油污染。油污一旦与石墨件接触，便如同浸渍剂浸入石墨孔隙，占据浸渍位置，形成浸渍剂成功浸入的阻碍。在进入热聚合过程后，遇温度又会发生挥发，使油污的孔隙再次出现，该处形成浸渍失效，而出现渗漏[5]。最终评审小组的改善方法为：在浸渍前全检石墨板外观，确保无油渍和水渍。做好加工现场的 5S管理，注重加工车间的清洁、清扫，杜绝漏油、滴油现象，预防石墨件沾染油污。
石墨板在浸渍过程和热固化过程中通常使用压缩空气进行加压。压缩空气中含有水分和油分，这些水分和油分混入树脂中，长期会影响树脂质量[5]。最终评审小组的改善方法为：对压缩空气进行必要的油水分离，在压缩空气前端安装过滤器，并进行定期更换。
通过石墨板浸渍前后的增重率可以算出树脂的浸渍率。树脂的浸渍率是关乎石墨板孔隙是否被完全填充的重要参数。最终评审小组的改善方法为：需要对石墨板浸渍前后的增重率进行控制图分析，以识别出产线上异常批次，以便及时对异常批次进行原因分析，作出快速反应。
3.4 “环境”因素的分析
石墨双极板采用堆叠方式放置在物料盒中，物料盒采用白色透明的有机玻璃容器，由于容器长宽尺寸比石墨板大一些，所以在物料转运的过程中，容易引起碰撞，且容器最下面的石墨板最容易产生裂纹。原因锁定为：操作工是20片一组进行放置到容器中，放置的时候没有给手指留下空间，导致手离开时会有冲击。最终评审小组的改善方法为：在容器底部铺上工装垫，给手指充分的放置空间。转运前，在容器四周塞工装垫块，以防转运过程中受到撞击。
3.5 “法”的因素进行分析
电堆石墨板检漏防流出措施集中在原材料检漏和大堆检漏两个流程上。这两个流程的主要测试原理：双极板冷却液腔中通入反应气体（H2），检测电池漏电压的值，来判断双极板的阳极单板和/或阴极单板的泄漏的情况[6]。按照理论，不漏的极板整体漏电压△V应为0 mV，但实际情况整体漏电压△V由3部分组成。一部分是极板漏电压值V1，第二部分是氢气直接穿透密封件产生的漏电压V2，第三部分是测量设备精度V3。在实际的检漏过程中发现检漏漏电压数据呈正态分布，漏电压均值为6.4mV。实验数据显示V2值偏大，给双极板泄漏判定带来了难度。通过对原材料检漏进行5M1E排查，评审小组工程师们一致认为测量设备压力不足导致氢气直接穿透密封件产生的漏电压V2偏大，影响整体漏电压△V的准确度。需要对测量方法进行改进，增加检漏工装的准确度。试验方案设计如下：
生物质颗粒燃料通常是指由经过粉碎的固体生物质原料通过成型机的压缩成为圆柱形的生物质固体成型燃料，直径≤25mm，长径比≤4，常见直径尺寸有6，8，10mm。成型颗粒燃料密度明显增大，体积明显缩小，便于运输和贮存；
同时，体积小，与空气接触面积大，利于燃烧；
规格一致，便于实现自动化输送和燃烧；
可作为工业锅炉、住宅区供暖及户用炊事、取暖的燃料[7]。
试验材料：MEA 13片，极板12片
工装：原料检漏工装（加装可调压的增压泵）、高精度电压测量设备（设备精度：±1mV）、截止阀、流量计等。
试验步骤：打开截止阀1，关闭截止阀2，将氢气通入冷却腔，等压力稳定后，关闭截止阀 1，打开截止阀2，记录流量计值，如图3所示。流量计显示的即为氢气泄漏值。同时测量整体漏电压△V值。比较气缸压力-流量计泄漏量关系以及气缸压力-整体漏电压△V值关系。
图3 检漏工装示意图
试验变量：调整原材料工装的气缸压力，共计6组试验，气缸压力变化（MPa）：0.70、0.65、0.60（目前采用）、0.55、0.45、0.40。图 3所示为检漏工装示意图。
试验结果 1：气缸压力与流量计泄漏量关系如表1所示。
表1 气缸压力与流量计泄漏值关系
气缸压力与流量计泄漏值散点图，如图4所示。
图4 气缸压力与流量计泄漏值散点图
实验结论 1：随着气缸压力的增大，氢气穿越密封件漏量减小。证明随着压力的增加，密封的效果越好。
实验结果 2：在不同的工装密封效果下，对气缸压力和整体漏电压△V之间的关系进行数据分析，结果如表2所示。
表2 气缸压力和整体漏电压△V之间的关系
气缸压力与整体漏电压△V均值的散点图，如图5所示。
图5 气缸压力与整体漏电压△V均值的散点图
实验结论 2：随着气缸压力的减小，漏电压均值和漏电压标准差均有所上升，降低了测量设备数据的准确度。最终评审小组的改善方法：变更气缸压堆压力，将之前的 0.6MPa变更为 0.7MPa，使V2的电压值降低，减少测试干扰。
为让此非标检漏设备符合TS16949测量系统要求，对整体漏电压△V进行MSA分析。最终设备和操作人员通过了测量系统分析（GRR值为10.76%，Ndc值为 13）。该测量系统可接受，如表3、表4所示。
表3 GRR研究数据表
表4 量具重复性及再现性分析报告
同时评审小组建议检漏标准工艺变更：取漏电压2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、5.3、7.8、10.2进行冷却腔荧光防冻液保压。试验步骤：第一步：将双极板堆叠在上端板和下端板之间，每块石墨板用密封件隔开。第二步：使用去离子水或者防冻液作为溶剂，水溶性荧光剂作为溶质，配置浓度为200～2000 ppm的荧光显色剂溶液。第三步：将配置好的荧光显色剂溶液加温至40～80℃，泵入工装，从荧光显色剂溶液入口流入各石墨板冷却流体入口，流经冷却流体通道，从冷却流体出口流至荧光显色剂溶液出口，使冷却流体通道内的流体压力保持在20～200 kPa，静置1～7天。第四步：静置结束后将工装内的荧光显色剂抽出，打开工装，将石墨板一一拆解[7]。试验结果为：在整体漏电压△V在3mV以内石墨板表面均未发现荧光防冻液渗出。整体漏电压△V5.3、7.8、10.2mV发现石墨板表面有荧光防冻液渗出。所以将微漏标准进行工艺变更，由之前的9.5mV改成3mV，有效阻止不良双极板流出。
3.6 “测”的因素进行分析
目前厂内在大堆检漏这个工序采用电堆自带的产品模块进行漏电压的检测。目前产品模块的精度为±10mV。采用的出厂标准为整体漏电压△V≤10mV。之前标准订立的依据是：通过对 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15mV 的漏电压极板进行荧光防冻液保压试验，发现漏电压 11、12mV的极板漏荧光防冻液，10、14、15mV 以及 10mV以下的极板未漏荧光防冻液，于是定出厂标准为整体漏电压△V≤10mV。
表5是电堆自带的产品模块后台的测试数据。经过对产品模块后台数据的跟踪，发现产品模块精度不足会产生错杀和漏杀的现象，红框标注的就是由于精度不足而产生的波动。整体漏电压△V等于最后1秒的漏电压减去第1秒的漏电压。电堆自带的产品模块测出的漏电压随时间变化的散点图，如图6所示。
表5 电堆自带的产品模块测出的整体漏电压值
对模块后台数据分析，发现第12、78、99片整体漏电压△V值超标准是由于测试模块精度问题。由于整体漏电压△V等于最后1秒的漏电压减去第1秒的漏电压，所以最后1秒的漏电压与第1秒的漏电压同为正数或负数容易通过，而最后1秒的漏电压与第1秒的漏电压呈现一正一负振荡状态的会遭到误判，如表5方框标记。而第7片整体漏电压△V值虽然只有11mV，但是漏电压的趋势是渐变的，所以防冻液保压时会漏。由于测试模块的精度问题，可以判定之前出货批次的电堆有不良石墨双极板流出。
评审小组建议：整堆双极板检漏采用1mV高精度工装测试模块，取消之前采用每个电堆自带的产品模块进行电堆检漏。并同样对±1mV高精度工装进行测量系统分析，最终采用3mV标准，与原材料检漏标准同步。
通过对车间的人、机、料、环、法、测所有风险点进行改善，特别是对测试方法的改善，有效地防止不良石墨双极板流入市场。石墨板导入策略的前三个月因极板漏液产生的0公里不良比率为4% ，导入策略的后三个月因极板漏液产生的0公里不良比率为0.5%。从市场端的表现来看，效果良好。
通过对双极板检漏方法发明专利的应用性研究，将之转化为符合TS16949MSA的测量仪器。同时通过特性要因图，对影响石墨双极板泄漏的所有原因进行分析，最终制定出可执行的改善措施。这些对石墨双极板微漏的改善研究经验，为燃料电池极板质量改善提供一定的借鉴意义。
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