燃料电池电堆组装技术（一）

图1 电堆结构示意图

Introduction：电堆组装是将多个电池堆叠起来的过程，在端板上施加不同的装配载荷，实现燃料电池间的紧密装配，如图2所示。这些部件在受到一定程度的装配力后会发生变形，从而引起物理参数的变化。这些参数的变化影响着燃料电池的水传递、反应物传递、电子传递和热传递，并最终影响燃料电池的性能。在这个过程中，装配载荷的大小和分布尤为重要，而装配载荷的分布主要与装配设备有关。此外，燃料电池产业化的障碍之一是大规模制造和组装技术不成熟。因此，在电堆组装技术上实现理论和实践上的突破变得迫在眉睫。

图2 电堆压机示意图

电堆组装工艺的基本科学问题：为了优化燃料电池的性能，装配工艺研究的首要问题是确定合理的装配载荷范围。装配载荷对燃料电池的部件和性能有一定的影响，一方面，极小的装配负载首先会导致气密性问题，良好的气密性是保证燃料电池堆后期正常安全运行的首要前提。此外，它导致元件之间接触不全，导致界面接触电阻急剧上升。在输入反应气体后，这将导致部分开路，单电池有效电压降低。另一方面，由于装配负荷过大，GDL会受到严重压缩，过挤压后孔隙度和渗透率急剧下降。同时，质子交换膜的结构强度较低，由于过度挤压，其结构应力迅速增大。在这种情况下，即使后期降低了装配载荷，质子交换膜中仍会存在残余应力，这将导致质子交换膜的使用寿命减小。装配技术的第二个问题是获得均匀的装配载荷分布。燃料电池具有短板效应，也就是说，燃料电池的性能取决于最差的电池。均匀的压力分布可以保证活性区的电化学反应条件相同，能提升面内的一致性。值得指出的是，压力分布与装配机理有着显著的关系，这也是装配技术研究中的问题之一。随着自动化程度的提高，人们试图通过自动化装配来提高生产效率，避免装配过程中可能出现的人为错误。因此，近年来，电堆自动化装配技术越来越受到重视。

电堆装配技术难点与挑战：

1. 装配负载的确定和优化

2.装配负载对燃料电池组件和性能的影响

3.装配过程的研究方法和手段

4.燃料电池设计与自动装配的结合

载荷的分类：

点状：布置在端板边缘的螺栓容易使流场周围的密封区承受更大的载荷（图3）。

图3 点状载荷的接触压力分布

线状：双极板高度不均匀，导致局部脊区域过压，造成GDL水淹（图4）。

图4 GDL水淹示意图

面状：载荷分布的不均匀，导致电流分布不均一，造成局部热点（图5）。

图5 MEA压力分布

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