圖1 電堆結(jié)構(gòu)示意圖

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Introduction：電堆組裝是將多個電池堆疊起來的過程，在端板上施加不同的裝配載荷，實現(xiàn)燃料電池間的緊密裝配，如圖2所示。這些部件在受到一定程度的裝配力后會發(fā)生變形，從而引起物理參數(shù)的變化。這些參數(shù)的變化影響著燃料電池的水傳遞、反應(yīng)物傳遞、電子傳遞和熱傳遞，并最終影響燃料電池的性能。在這個過程中，裝配載荷的大小和分布尤為重要，而裝配載荷的分布主要與裝配設(shè)備有關(guān)。此外，燃料電池產(chǎn)業(yè)化的障礙之一是大規(guī)模制造和組裝技術(shù)不成熟。因此，在電堆組裝技術(shù)上實現(xiàn)理論和實踐上的突破變得迫在眉睫。

圖2 電堆壓機(jī)示意圖

電堆組裝工藝的基本科學(xué)問題：為了優(yōu)化燃料電池的性能，裝配工藝研究的首要問題是確定合理的裝配載荷范圍。裝配載荷對燃料電池的部件和性能有一定的影響，一方面，極小的裝配負(fù)載首先會導(dǎo)致氣密性問題，良好的氣密性是保證燃料電池堆后期正常安全運行的首要前提。此外，它導(dǎo)致元件之間接觸不全，導(dǎo)致界面接觸電阻急劇上升。在輸入反應(yīng)氣體后，這將導(dǎo)致部分開路，單電池有效電壓降低。另一方面，由于裝配負(fù)荷過大，GDL會受到嚴(yán)重壓縮，過擠壓后孔隙度和滲透率急劇下降。同時，質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，由于過度擠壓，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力迅速增大。在這種情況下，即使后期降低了裝配載荷，質(zhì)子交換膜中仍會存在殘余應(yīng)力，這將導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的使用壽命減小。裝配技術(shù)的第二個問題是獲得均勻的裝配載荷分布。燃料電池具有短板效應(yīng)，也就是說，燃料電池的性能取決于最差的電池。均勻的壓力分布可以保證活性區(qū)的電化學(xué)反應(yīng)條件相同，能提升面內(nèi)的一致性。值得指出的是，壓力分布與裝配機(jī)理有著顯著的關(guān)系，這也是裝配技術(shù)研究中的問題之一。隨著自動化程度的提高，人們試圖通過自動化裝配來提高生產(chǎn)效率，避免裝配過程中可能出現(xiàn)的人為錯誤。因此，近年來，電堆自動化裝配技術(shù)越來越受到重視。

電堆裝配技術(shù)難點與挑戰(zhàn)：

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1. 裝配負(fù)載的確定和優(yōu)化

2.裝配負(fù)載對燃料電池組件和性能的影響

3.裝配過程的研究方法和手段

4.燃料電池設(shè)計與自動裝配的結(jié)合

載荷的分類：

點狀：布置在端板邊緣的螺栓容易使流場周圍的密封區(qū)承受更大的載荷（圖3）。

圖3 點狀載荷的接觸壓力分布

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線狀：雙極板高度不均勻，導(dǎo)致局部脊區(qū)域過壓，造成GDL水淹（圖4）。

圖4 GDL水淹示意圖

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面狀：載荷分布的不均勻，導(dǎo)致電流分布不均一，造成局部熱點（圖5）。

圖5 MEA壓力分布

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