1.4.3 电堆紧固结构

电堆紧固结构主要包括电堆的前后端板及用来封装的紧固件。其中，端板位于电堆的两端，其主要作用是将封装力传递给电堆内部各个组件，实现对各组件间接触压力的控制并配合紧固件为电堆封装提供紧固力；紧固件的作用主要是维持电堆各组件之间的接触压力。因此，两者的协同配合可有效控制并维持电堆组件之间的接触压力稳定，保证电堆的稳定高性能运行。此外，紧固结构能够为电堆模块提供一定的机械强度和刚度以抵抗电堆受到冲击、振动等强载荷的影响，防止其变形、错位及失效。对紧固结构进行设计时，紧固压紧力可以通过点压力、线压力和面压力来提供。因此衍生出来了许多组装方式，通过不同的压紧方式将电堆组装起来。目前比较常见的电堆紧固方式有螺杆紧固和钢带紧固两种，其结构如图1-15所示。其他紧固方式，如箱式弹簧紧固、平板紧固等，由于存在明显缺点，目前已经较少被使用。

钢带紧固目前较多应用于石墨板电堆，钢带紧固的特点是结构紧凑，比螺杆紧固节省空间，可以在减少端板厚度和重量的同时，分散钢带与电堆紧固处的紧压力，使压紧力更均匀分布。这种紧固方法的受力面积更大，可以将压紧力更均匀地施加在端板上，避免出现局部端板受力不均匀的情况。目前，钢带紧固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。加拿大巴拉德公司电堆便采用了此种比较典型的紧固方式。此外，广东国鸿氢能、北京氢璞创能、ZSW等均采用这种电堆紧固方式。

随着技术的革新和发展，紧固方式进一步得到优化。为了解决螺杆紧固方式容易出现接触压力分布不均的问题，一些厂家通过对端板进行加厚及对端板结构拓扑优化的方法，有效地提高了组件压力的均匀性。此外，一些厂家在使用钢带的同时，也对端板的结构进行了改良。如Power Cell电堆采用了比较典型的弧度端板配合钢带的压紧方式，如图1-16所示。这种电堆组装方式的特点在于使用带一定弧度的端板配合钢带实现压紧，进一步提高了电堆的紧固力的均匀性。其优点主要是上下端板部分可以采用一定的镂空结构来实现电堆的轻量化设计。

除了以上电堆紧固方式外，一些新式电堆紧固方式被研发和应用，如图1-17所示。其中，卷曲束缚结构紧固方法使用卷曲束缚结构代替螺杆压缩电堆，能够降低螺杆带来的重量，使电堆更加轻便，但仍然需要厚重的端板来分散零部件周围部分受到的力，电堆减重不明显。压紧力液压可调型螺杆紧固方式需要加入一个复杂的高压液体控制设备，对于商用燃料电池堆来说不太实用，但是具有一定的研究价值。弹簧螺杆紧固式则是将螺杆改良为弹簧螺杆来进行压紧。内凹弧度端板配合螺杆紧固方式是采用一个带有弧度的内凹端板，并通过螺杆向电堆施加压紧力，这样的设计能够更均匀地施加应力，但是会导致端板的体积和质量进一步增大，且端板的形式需要根据单电池片数而定制开发，较难大规模推广使用。