圖1 電堆結構示意圖

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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生變形，從而引起物理參數的變化。這些參數的變化影響著燃料電池的水傳遞、反應物傳遞、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備有關。此外，燃料電池產業化的障礙之一是大規模制造和組裝技術不成熟。因此，在電堆組裝技術上實現理論和實踐上的突破變得迫在眉睫。

圖2 電堆壓機示意圖

電堆組裝工藝的基本科學問題：為了優化燃料電池的性能，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，極小的裝配負載首先會導致氣密性問題，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，它導致元件之間接觸不全，導致界面接觸電阻急劇上升。在輸入反應氣體后，這將導致部分開路，單電池有效電壓降低。另一方面，由于裝配負荷過大，GDL會受到嚴重壓縮，過擠壓后孔隙度和滲透率急劇下降。同時，質子交換膜的結構強度較低，由于過度擠壓，其結構應力迅速增大。在這種情況下，即使后期降低了裝配載荷，質子交換膜中仍會存在殘余應力，這將導致質子交換膜的使用壽命減小。裝配技術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，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的電化學反應條件相同，能提升面內的一致性。值得指出的是，壓力分布與裝配機理有著顯著的關系，這也是裝配技術研究中的問題之一。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效率，避免裝配過程中可能出現的人為錯誤。因此，近年來，電堆自動化裝配技術越來越受到重視。

電堆裝配技術難點與挑戰：

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1. 裝配負載的確定和優化

2.裝配負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.燃料電池設計與自動裝配的結合

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，導致局部脊區域過壓，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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