苑文好
桂林理工大学
摘要：氢能源作为一种能量密度高又没有污染物排放的理想清洁能源,得到国际社会的广泛关注，目前中国燃料电池产业，政策自上而下支持，技术达到产业化条件，产业链国产化进程启动，相关公司加快布局速度，资本市场投融资热度持续上升。氢燃料电池作为氢能源核心产品，双极板又作为氢燃料电池核心零件，其工序质量不稳定，导致产品良率低，进而制约了相关公司的氢燃料电池产业化进程
本文采用要因图、FMEA、Minitab DOE、等工具，对相关的公司双极板制作过程中的胶水重量不稳定的问题进行研究，建立拟合回归方程，然后对模型进行优化分析，为氢气燃料电池公司解决双极板质量问题提供参考思路。
关键词：氢燃料电池，DOE，FMEA，要因图
1.1 研究背景
双极板制作工序是将两块单极板粘结在一起，即用丝印机或点胶机在一块单极板上刷胶水，然后和另一块单极板粘结在一起，本文主要以丝印机工艺为分析研究主体。胶水重量对双极板粘结的质量影响非常大，如果胶水重量超出允许的范围就会导致双极板粘结的质量不合格，同时由于粘结后质量不合格的双极板，无法返修或重新利用，只能进行报废处理，造成生产成本上升。胶水的重量主要受工艺参数影响，工艺参数包括环境温度、印刷速度、刮刀压力、网板张力、网孔的大小等。如果环境温度过高，胶水流动性强，胶水重量就偏少，如果环境温度过低，胶水流动性差，胶水重量就偏多，甚至会出现胶线断开的现象；印刷速度越快，胶水重量就越少；刮刀压力越大，胶水重量就越少；网板的张力不合适，胶水重量就无法保证；网孔过大，胶水重量就越大。在实际的生产过程中，工艺参数经常出现无规律的调整，胶水重量也经常有变化，甚至出现胶水重量无法满足要求的情况。
1.2分析阶段
1.2.1相关性分析
针对双极板制作工序中胶水重量的不稳定的现象，成立分析小组，对其引起的原因进行相关性分析，小组成员包括设备工程师、质量工程师、研发工程师、生产经理等相关人员。采用头脑风暴法进行分析，目的是找出问题的根源。头脑风暴法是通过集思广益，全员都可以参与并展开讨论，鼓励每一个成员大胆的提出自己的看法，寻找出胶水重量的不稳定的潜在因素。对头脑风暴法所提出的任何看法，我们可以用鱼骨图来加以整理，帮助我们集中注意力搜寻产生问题的根源，指出改进的方向。
1.1.2 FMEA分析
FMEA是潜在失效模式与后果分析，全英文Failure Mode and Effects Analysis,是一种可靠性设计的重要方法。它对产品/过程中各种潜在的失效及其后果风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上找到能够避免或减少潜在失效发生的措施，以消除这些失效风险或将这些失效风险减小到可接受的水平，广泛应用在汽车零部件生产行业的可靠性设计和制造工艺等分析方法。
我们对胶水重量不稳定的问题采用FMEA进行详细评估，经小组成员讨论后，对双极板制作工序中，胶水重量不稳定的问题进行严重度、频度、探测度赋值，然后计算RPN值，RPN得分超过100分的要因为主要要因，经计算RPN得分超过100分的要因有3个，分别为环境温度、刮刀压力、刮刀行进速度。
1.1.2 DOE试验设计
（一）、DOE试验设计的准备
根据前面的分析，影响胶水重量的主要要因为环境温度、刮刀压力、刮刀行进速度。为了找出最佳的生产条件，因此制定DOE试验设计。在DOE试验前，关键要确定每个因子在试验中属于哪个水平，经小组头脑风暴法和生产历史经验，决定在试验中采用水平为：环境温度（低水平20℃，中水平25℃，高水平30℃），刮刀压力（低水平1Kgf，中水平2.5Kgf，高水平4Kfg）, 刮刀行进速度(低水平0.1m/s，中水平0.15m/s，高水平0.2m/s）。
（二）、DOE试验
借助Minitab软件的DOE试验设计功能模块[1]，创建全因子试验设计，安排3个中心点，排出标准顺序的试验设计表格，按照试验计划设计表进行试验方案的设计，试验过程记录每一次的试验结果。试验中采用固定的设备、刮刀、网板等，避免有其他的变量因素引入，造成试验结果不准确。
每组条件试验数量为100片，胶水重量取100片的平均值，试验结果记录在表1-1。
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（三）DOE分析
针对DOE试验结果，采用Minitab软件进行DOE分析，生成分析结果即拟合回归方程为：胶水重量=0.8257-0.00691环境温度-0.1073刮刀压力-0.423刮刀行进速度+0.004178环境温度*刮刀压力+0.0179环境温度*刮刀行进速度+0.380刮刀压力*刮刀行进速度-0.02056环境温度*刮刀压力*刮刀行进速度-0.00782CtPt，其中回归常量P对应的值为0，小于0.05，说明回归系数显著，回归方程是显著的。然后进行方差分析，方差分析结果中，弯曲常量对应的P值为0.222，大于0.05，证明无明显弯曲，从而证明回归方程有效。
（四）模型最优化分析
根据胶水重量来看，符合“标准”特性，即越接近标准越好。因此我们借助Minitab软件中的响应优化器分析，通过分析评估得到，环境温度为20℃，刮刀压力为4Kgf，刮刀行进速度为0.1m/s时，胶水重量是0.5733g，最接近我们的胶水重量目标0.58g。
针对优化后的参数进行置信区间进行分析，95%置信区间在（0.54500，0.60167），符合胶水重量0.58±0.08g范围，说明优化后的参数可信度很高。
2 结束语
通过使用要因图、FMEA、Minitab DOE等分析方法与工具，研究氢燃料电池双极板制作工序中胶水重量的不稳定的现象，通过建立模型并对模型进行优化和评价，为氢气燃料电池公司解决此问题提供参考。
参考文献
[1]马逢时，周暐，刘传冰.六西格玛管理统计指南 MINITAB使用指导(第2版)[M].北京：中国人民大学出版社，2018
[2]衣宝廉.燃料电池和燃料电池车发展历程及技术现状[M].北京：科学出版社，2018
[3]平塑勒.《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书——技术路线图（2017）[M].北京：电子工业出版社，2015
[4] 姜晓兵，谢永平，一涛.数据、模型与决策[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017
作者简介：苑文好，男，汉族，1980年出生，安徽阜阳人，硕士；研究方向：运营与质量管理