目前，影響燃料電（diàn）池推廣應用的因素除了加氫（qīng）站等基礎設施和法規等有待（dài）配套完善外，燃料電池的成（chéng）本、耐久性、低溫性能以及功率（lǜ）密度（dù）等仍有待提高。電堆（duī）作為燃（rán）料（liào）電池（chí）核心部（bù）件（jiàn），是對外功率輸出的核（hé）心，其成本約占燃料電池係（xì）統總成本（běn）的42%～62%所以電堆的開發對燃料電池推廣應用至關重要。

        與傳統內燃機相似，整車的（de）功率需求、壽命、空間尺寸、成本等是燃料（liào）電池電堆的初始設計輸入。燃料電池電（diàn）堆的設計及改進方向，目（mù）前就是向傳統內燃機看齊，力爭在各方麵縮小與（yǔ）內燃機的差（chà）距，進而（ér）突破阻（zǔ）礙其（qí）推廣應用（yòng）的（de）掣肘。

        針對不同的車型（xíng）及工況需（xū）求，燃料電池的電（diàn）堆設計存在些許差異。如DOE預計，2025年，重型（xíng）車將由3 個電堆並聯組成391 kW 的燃料電池係（xì）統，中型車由2 個（gè）電堆並聯組成202 kW 的係統。

        基於整（zhěng）車對電堆（duī）的實際使用需求，結合（hé）空氣供給係（xì）統中空（kōng）壓機、燃料供給係統中氫氣循環泵、冷卻係統（tǒng）中散（sàn）熱器、電（diàn）控係統中DC/DC 等關鍵部件的性（xìng）能參數，考慮與擬（nǐ）開發電堆的匹（pǐ）配性後，即可基（jī）本鎖定燃（rán）料電池電堆的邊界設計條件。

        燃料電池電堆的設計邊界條件確定後，即可開展電堆的詳細設計過程，其中包括燃料電（diàn）堆各（gè）組（zǔ）件（jiàn）的材（cái）料、尺寸、性能指標、電堆的密封及封裝方式等。燃（rán）料電池電堆由（yóu）承壓端板、絕緣板、密（mì）封件、雙極板、氣體擴（kuò）散層、MEA 以及緊固件等組成，具體（tǐ）見圖1。電堆設計應基於對燃料電池（chí）電堆原（yuán）理的掌握，基於相關（guān）部（bù）件（jiàn）的性（xìng）能和成本掌（zhǎng）握，綜合（hé）考慮工藝（yì）的可實施性。

氫能源燃（rán）料電池（chí）堆的關鍵結構

1.1雙極板（bǎn）

        雙極板的設（shè）計首先應基於燃料電池電堆的實際使用如耐久性等（děng），確定電堆雙極板材料的（de）使用類型（xíng）。金（jīn）屬板相對更薄，體積功率密度更高，但耐久性（xìng）相對差，更適用於乘用車。而石墨板耐久性更高，可應用於具有更大布置空間的商用車。雙極板的厚度（dù）、流道深度（dù）、寬度、傾角和總體長度、脊（jǐ）的寬度以（yǐ）及流場形狀、壓降，是雙極板設計的重點和難點。

目前（qián），市售雕刻石墨（mò）雙極板的厚度（dù）約為（wéi）1.5～2.5 mm。Ballard 宣稱（chēng）其掌握石墨板組裝後的厚度降至1 mm 以下。流道的寬度一般為0.5～2.5 mm，深度為0.2～2.5 mm，脊的寬度為0.2～2.5 mm，流道傾角（jiǎo）一般為0～60°。流場的形狀有直流場、交（jiāo）趾流場、單蛇形流（liú）暢、多蛇形流場，仿生（shēng）流場和三維流場等。其中筆者所接觸到的多以多蛇形流場為基礎進行設計改進。流場的（de）溝槽麵積（jī）與總（zǒng）麵積之間的比值為（wéi）開孔率。考慮（lǜ）到雙極板與其他部件之間的接觸電阻，開孔率宜為40～75%。流（liú）場（chǎng）的壓（yā）降一般為千帕（pà）級。考慮陽極采用壓差（chà）排水，背壓一般為20～80 kPa。

1.2膜電極

        膜（mó）電極是電化學反應的場所，是電堆（duī）的核心，其性能直接決定了燃料（liào）電池的性（xìng）能。市售膜電極的（de）性能一般可達1.2 W/cm2@0.6 V。膜（mó）電極由質子（zǐ）交換膜和陰陽極催化層組成。市售質子交換膜的厚度多為15～50 μm，其中Gore公司開發的10 μm的（de）薄膜也已經被國外主機廠采用。為了（le）提升電堆的整體性能，現多采（cǎi）用增強型質子交換薄膜。催化劑主要（yào）以貴金屬鉑為主（zhǔ），其中鉑載（zǎi）量陽極為0.02～0.4 mg/cm2，陰極為0.2～0.4 mg/cm2。陽極多采用鉑碳催化劑，陰極采用鉑鈷（gǔ）等合金催化劑。

1.3擴散層

        氣體擴散（sàn）層一般（bān）由多孔碳材（cái）料組成，包括（kuò）碳紙基體和微孔層，是傳輸電子、反應氣體和生成產物的通道，要求其具有良（liáng）好的親疏水性平衡、孔隙率、高電導率、低電阻率和良好的（de）機械性能等。市售氣體擴散層的厚度0.15～0.4 mm，孔隙率65%～80%。

1.4 密封

        燃料電池的密封與傳統內燃機相似，密封件用於密封雙極板的冷卻流道以及（jí）雙極板和膜電極之間的反應氣（qì）體（tǐ）通（tōng）道，可采用（yòng）的材料包括三元乙丙橡膠、氟橡（xiàng）膠、矽膠以及聚（jù）異（yì）丁烯等。密封件的選（xuǎn）擇應考（kǎo）慮其在工作期間的溫濕度變化、化學物質（zhì）腐蝕、氣體滲漏、絕緣性和吸收衝擊振動等性（xìng）能。

1.5絕緣板

        目前燃料電池的工作電壓範圍為200～400 V，為了保證（zhèng）電堆使用安全，良好（hǎo）的絕緣（yuán）保護不可或缺。絕緣板放置（zhì）於2 側端板和（hé）2 端承壓板之間，其確保電（diàn）堆使用中外殼絕緣，保證使用安全性（xìng），要求其具有良好的（de）絕緣性，其材質可為（wéi）矽膠等其他絕緣（yuán）材料。

1.6 端板

        承壓端（duān）板用於壓緊組裝後的電堆部件，要求其（qí）具有較大的（de）剛度，以抵（dǐ）禦應力下的變形，使（shǐ）內部電堆（duī）的（de）部件形變更一致，接觸更（gèng）好；具有相（xiàng）對低的密度，可實現減重。常用的（de）承壓端板材料包括鋁合金、不鏽鋼和酚醛樹脂等複合材質。

1.7 緊固件

        電堆的緊固部（bù）件根據封裝形式的不同而有差（chà）異。螺栓緊固由螺杆、螺母和墊片等組成，綁帶緊固方式由鋼（gāng）帶和彈簧墊圈等組成（chéng）。

        綜上所述，電堆的組件在選擇和使用時，還要考慮工作邊界條件，如壓力、溫度、濕度（dù）、過量係數比（bǐ）等。溫濕度變化對質子交換膜和密封件性能有要求。反應氣體工作壓力的提高，有助於提升電化學性能，但同時對（duì）電堆的密封性（xìng）能會提出更高（gāo）的要求。目前（qián）電（diàn）堆的工作壓力多數在150 kPa 左右（yòu）。部分廠家的電堆（duī）工作壓力可達250 kPa。在滿足其（qí）他條件的情（qíng）況下，提高過量係（xì）數比，也有助於提升電堆整體性能，通常過量係數比為1.5～2.5，陰極過量係數比略大於陽極（jí）過（guò）量係數。

        燃料電池電堆生產製造包括膜電極（jí）和雙極板製備、密封及組裝過程和下線檢（jiǎn）測。考慮到核心部件和電堆的工藝技術要求嚴格（gé），綜合一致性要求高，作為產品（pǐn）級的電堆生產製備，必須采用的設（shè）備。

2.1 膜電極

        膜電極按催化（huà）劑初始噴塗載（zǎi）體可分為GDE 和CCM 2 種模式。GDE 模式是將（jiāng）催化劑噴塗於氣體擴散層上，然後熱壓夾住中（zhōng）間的質子交換膜。CCM 模式是將催化劑直（zhí）接噴塗在質子交換膜上，然後再覆上氣體擴散層。其中因CCM 模式材料利用率高而成為（wéi）行業趨勢。CCM 模式又可進一（yī）步分為轉印法、超聲波噴塗法和卷到卷狹縫擠壓法（fǎ）。目前而（ér）言，第yi代雙麵轉印CCM 工藝和第二代陰極直塗陽極轉印工藝仍繼（jì）續被采用。豐田（tián）采（cǎi）用（yòng）卷到卷狹縫擠（jǐ）壓法進行膜電（diàn）極的生產。雙（shuāng）麵噴塗法在解（jiě）決了質子交換膜在膜電極製備中的溶脹、收縮、起皺問題後，其更高的生（shēng）產效率優勢（shì）將得以（yǐ）充分顯現。膜電極製備中的催（cuī）化劑料、溶劑類（lèi）型和比例、漿料整體粘度（dù）、噴塗模具、塗布角度諸多因素影響著膜電極的產品質量和（hé）性能。

        有序化膜電極因其助於提高電極中催化劑的利用（yòng）率、降低Pt 的用量以及增（zēng）加反應的三相界（jiè）麵，近年來其應用（yòng）研究也在不斷深入。

2.2 雙極板

        石墨雙極板的製造主要可分為數控機械加工和模壓2 種類型，另外少量采用注塑成型。其中模（mó）壓（yā）是將混合粉料加入預熱好的模具，固化後得到雙極板，因其適合大（dà）批量（liàng）生產，易於（yú）降低製造成本，目前應用廣泛。近年來，以Ballard 柔性膨脹石墨板（bǎn）為（wéi）代（dài）表的產品因其較為zhuo越的性能，也得到了廣（guǎng）泛的關注。金屬雙極板采用衝壓、液（yè）壓、輥壓成型等方式生產，生產效率高，但需（xū）要解決流道加工和耐腐蝕鍍層等問題。

        密封過程如之前所述（shù），以（yǐ）采（cǎi）用固化裝配墊圈（quān）為例（lì），主要是將密封材料塗敷於雙極板密封槽內，經過固化後形成外形（xíng）尺寸和高（gāo）度滿足設計目標的密封結構。成形過程中點膠設備的（de）參（cān）數設置及固化溫度和時間，對成形的密（mì）封件性能有較大影響。

2.3電堆（duī）

        目前，燃料（liào）電池電堆的組（zǔ）裝方式主要有手動（dòng）組裝和（hé）自動組裝2種。

        手動裝配在試（shì）驗階（jiē）段和（hé）工藝驗（yàn）證（zhèng）階段，其效率低的劣勢並不明顯。裝配人員借助於定位杆等，將承壓板、絕緣板、集流體、雙極板、膜電極等依次疊羅在一起。在（zài）外部加壓裝置（zhì）的壓縮作用下（xià），壓縮到預定程度或接觸力（lì）後，用螺栓或綁帶緊固在一起。手動裝配由於全過（guò）程人為操作，在電堆整體尺寸不大的情況下，可滿足實驗測試要求。但在電堆整體（tǐ）尺（chǐ）寸較大時，累積效（xiào）應產生的裝（zhuāng）配誤差以及不一致（zhì）性，會導致電堆的性能無法達到設計要求。

        自動裝配相較（jiào）於手動裝配，生產效率更高。借助（zhù）於自動拾（shí）取、CCD 成像等設備，自動裝配可實現雙極板、膜（mó）電極的自動抓取（qǔ）、定位和安裝，整體裝（zhuāng）配誤差較低，是未來電堆真正走向商品化（huà）後的必由之路。

        在燃料電池電堆量產階段（duàn），為了保證產品的可靠性、一致性和可溯源性，相關的材料、部件等檢測（cè）、記錄（lù）手段在電堆製造裝配過程中是*的，如熱成像、CCD 成像、光學成像、紅外光譜；用於質子交換（huàn）膜、氣體擴散層、膜電極的缺陷檢查如針孔、刮擦、平麵不平整度、催化劑團聚；高效智能傳（chuán）感器用於電堆裝配中接觸壓力分布的實時精密測（cè）量記錄；數字化互聯係統用（yòng）於電堆製造全生命周期的數據采集、記錄和匯總。