2.8 电堆组装

PEMFC反应的标准理论电压为1.229V，但通常情况下，单节燃料电池的工作电压设定在0.6～0.7V，为达到应用所需的电压和功率要求，通常将多个单电池串联在一起组成燃料电池堆，这一串联的过程即是电堆组装（或封装）。燃料电池组装是将一定数量的膜电极、双极板、密封原件、集流板、端板等，运用一定的组装形式，按一定顺序组装成一个完整的电堆。

对于电堆组装，一是要满足密封要求，二是要使得各层之间的接触电阻最小。通常采用尺寸控制和压力控制确定组装尺寸。

2.8.1 组装尺寸确定

不同的燃料电池堆具有不同的组装特性，但每个电池堆的封装力均有一个上下极限值。上限值为不使电堆内任何部件产生塑性变形或压溃破坏的最大封装力，下限值为保证结构密封特性（密封界面达到最小密封比压）的最小封装力。

1.尺寸控制

电堆组装除了要保证电堆密封性外，还要保证MEA与双极板界面的良好接触。电堆设计阶段要考虑电堆密封元件形变与MEA形变的匹配，在组装过程中通过控制电堆高度定量双极板向膜电极扩散层中嵌入深度，并同时使密封元件达到预定的变形量 i 。图2-39为电堆组装过程密封件、双极板与MEA相对位置图 ^[45] ，电堆组装高度为 h = h ₁ = h ₂ ，其中 h ₁ 为满足MEA压深以获得预期较小接触电阻的组装高度， h ₂ 为满足密封变形要求的组装高度。一般通过离线试验可以确定获得较小接触电阻MEA的压深率 f _M 和密封件压缩率 f _r ，对密封件压缩率 f _r 可根据密封结构与材料在一定范围内调整（如30%～60%）。

式中 f _r ——密封件压缩率；

f _M ——双极板对MEA压深率；

b _b ——双极板的厚度；

n ——电堆中单池节数；

K ——其他硬件如集流板、端板等的厚度。

2.压力控制

除了用高度控制来获得电堆最佳组装匹配外，还可采用组装力控制法确定电堆部件之间的良好匹配关系。组装力可以通过组装机械（如油压机）实施。电堆组装力控制与接触电阻随着组装力变化的示意图如图2-40所示。随着组装力加大，双极板与MEA间的接触电阻逐渐减少，当达到平缓区即为最佳的组装力控制区。通常接触电阻与组装力的关系可以在电堆组装前通过单电池试验离线获得，并确定接触电阻达到较小状态时对应的组装力。

2.8.2 紧固形式

目前，主流的燃料电池堆紧固方式有两种：一是螺栓紧固（Tie-rod and bolt）；二是钢带紧固（Band）。其他紧固方式，如箱式弹簧紧固（Box wrapping with bolts）、平板紧固（Flat board）等，现阶段已经较少被使用。

螺栓紧固是一种最常用紧固方式，它适用于小单池、多片电池和大电堆的组装，螺栓紧固如图2-41所示。目前，国内外各燃料电池企业和整车厂如新源动力、明天氢能、Hydrogenics、Elringklinger、丰田、现代等，国内科研院所如中科院大连化物所、武汉理工大学等，均采用此种紧固方式。螺栓紧固的特点是简单易行，可靠性较高；但该紧固方式常常由于局部螺栓与周边部位受力差异，导致端板受力不均的问题，严重时会在螺杆间部位出现“密封真空”，发生密封不严的状况。一般这种情况下，可通过优化螺栓数量、位置及组装载荷来改善电堆密封性能。钢带紧固目前较多被应用于石墨板电堆，国内外燃料电池企业如广东国鸿氢能、北京氢璞、Ballard、ZSW等均采用这种电堆紧固方式，钢带紧固如图2-42所示。钢带紧固的特点是结构紧凑，比螺栓紧固节省空间，它能够分散钢带与电堆紧固处的紧压力，避免出现局部端板受力不均匀的情况。目前，钢带紧固方式是大型燃料电池堆比较先进的紧固技术，但该组装工艺的设计及实施较为复杂。

此外还有一种电堆紧固技术叫双极板互嵌式自动紧固技术。这种紧固方式的结构更加紧湊，但其仅适用于微型电池，对于加工精度和组装工艺均要求较高。

2.8.3 电堆合格检测条件

电堆在达到合格下线之前，要经过检测，达到一定的合格要求。表2-15列举了燃料电池堆试验检验项目及检验依据。