和特嗨一起拆解｜一体化封装电堆

燃料电池堆的封装工艺对于其性能和安全性至关重要。封装工艺需要确保电池堆内部压力分布的一致性，这对于电堆的稳定性、寿命和功率密度等性能参数有着直接影响。燃料电池堆根据其不同的封装结构形式可划分为螺杆、拉杆、绑带、壳体一体化四种形式。燃料电池堆封方式详细介绍请点击链接查看：《干货丨燃料电池堆的封装结构》。

当前燃料电池堆封装方式多以螺杆、拉带和绑带封装形式为主，有结构复杂、装配效率低和塌腰失效等劣势，复杂的工艺会导致如封装力或密封压力分布不均匀等问题，这会引起气体泄漏，降低发电效率，甚至引起氢气爆炸事故。

一体化封装方式集拉紧、固定于一体，由壳体直接承担堆芯的压装力。堆芯压装后，套装壳体固定堆芯，省略了螺杆、拉杆、绑带等配件及紧固操作步骤。这种形式结构简易、成本低、可靠性高，提高了生产效率。

一体化封装具备功率密度提升、集成化成都高、工艺简化等优势，正成为目前车用金属板电堆集成的重要发展方向。本文通过拆解一体化封装工艺电堆总结其的技术特点。

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功率密度的优势

由于采用外固定的一体化封装工艺，简化了电堆壳体内部结构，提升了壳体内部空间利用率，同时M车型膜电极采用了多孔质碳载体，在保证性能的同时减少了单电池片数，进而减小了电堆的体积。粗略估算M车型电堆（含壳体）体积，仅为同功率级别的拉杆式封装工艺电堆体积的70%，对应的体积功率密度高出52%。

M车型一体化封装电堆尺寸

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集成化设计思路

集成化

承载组装力的气口端板和承压端板直接与封装壳体连接，封装壳体是承载堆芯组装力的直接媒介。气口端板为注塑一体化端板，通过螺栓与封装壳体连接。承压端板活装于壳体内部，通过安装于壳体外部的顶紧螺栓调节电堆压缩位移。

气口端板接口示意图

电堆盲端孔位示意

轻量化

电堆及FCDC总成高度集成，壳体均为铝合金材质。FCDC居上无下盖板，电堆居下无上盖板，二者互借壳体结构合二为一，省掉两个盖板的重量。

电堆与DCDC总成分离过程

小型化

CVM封装于电堆及DCDC总成内，安装在电堆上方，DCDC壳体留有其布置空间，不占用电堆的横向空间，且总成外部无CVM维修口，设计紧凑。

CVM布置位置

工艺简化

上壳体、下壳体采用压铸方法制成，上壳体的横梁具有导向及拉带的作用。电堆上壳体与下壳体通过搅拌摩擦焊方法形成，直接省掉了螺栓安装过程和密封工艺。

电堆上下壳体搅拌摩擦焊

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一体化封装工序

通过M车型电堆拆解过程中观测到壳体孔位，单电池及承压端板定位结构等，推测电堆封装工序如下，具有工序少，自动化程度高的特点：  

①压装前，将堆芯纵置于压机之上，气口端版位于堆芯底部，承压端板位于堆芯顶部，堆芯两侧通过定位工装保证堆叠不错位，壳体通过工装固定在压机上部，壳体预留有液压杆穿过孔位；

②液压杆将承压端板从上往下向堆芯施压，当压紧时，移除定位工装，保持压紧状态；

③壳体通过工装沿液压杆方向从上往下安装，下部与气口端板接触，上部与承压端板接触；

④下部气口端版通过螺栓与壳体连接，上部顶紧螺栓连接于壳体将承压端板顶紧。

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总结

通过拆解M车型电堆，了解到一体化封装在功率密度提升，集成化、轻量化、小型化，生产效率提升等方面有诸多优势，但对密封性、安全性、稳定性提出了较高的要求。可以肯定的是一体化封装正成为电堆集成的重要发展方向。后续我司将继续分享一体化封装工艺相关内容，如密封、绝缘、防塌腰设计等。