1.4 PEMFC的電堆結構

1.4.1 電堆模塊

PEMFC動力系統主要通過燃料電池堆模塊搭配相應的輔助子系統，如氫氣供給子系統、空氣供給子系統、水熱管理子系統、電力調節子系統和控制/監督子系統等實現運轉發電，如圖1-6所示。其中，燃料電池堆模塊是發生電化學反應的場所，為燃料電池發動機提供動力來源，被稱為燃料電池發動機系統的心臟，是整個燃料電池系統中最為核心的部分。圖1-7展示了國內外廠家的電堆產品。

電堆模塊主要由端板、絕緣板、集流板、雙極板、膜電極、緊固件、密封件七個部分組成，其中膜電極和兩側雙極板組成單電池，為反應發電的最小單元。由于質子交換膜燃料電池（PEFMC）單電池產生的電壓非常有限，即使在最理想的狀態下，其產生電壓也不超過1.23V，再加上伴隨產生的各種極化現象會損耗生成電壓，實際能輸出的電壓范圍大概在0.6～0.8V，因此在實際使用過程中，工程師通常根據實際電流、電壓和功率的需求，通過雙極板與膜電極交替疊合，將多個單電池串聯疊加在一起，并在各單體之間嵌入密封件，最后使用端板配合緊固件（通常采用螺桿或者鋼帶）以一定的壓緊力將內部結構緊密封裝在一起，裝配成為電堆結構。質子交換膜燃料電池堆模塊的剖面示意和實體結構如圖1-8所示。

電堆模塊中各組件的相應功能及要求如下：

（1）端板 端板的主要作用是控制各組件間的接觸壓力并配合緊固件提供緊固力，因此足夠的強度與剛度是端板最重要的特性。足夠的強度可以保證在封裝力作用下端板不發生破壞，足夠的剛度則可以使得端板變形更加合理，從而均勻地傳遞封裝力到密封件和膜電極上，對于電堆性能及整體穩定性具有重要作用。

（2）絕緣板 絕緣板對燃料電池功率輸出無貢獻，僅對集流板和后端板電隔離。為了提高功率密度，要求在保證絕緣距離（或絕緣電阻）的前提下最大化減小絕緣板的厚度及重量。但減小絕緣板厚度易導致在制造過程中產生針孔，并且可能引入其他導電材料，引起絕緣性能降低。

（3）集流板 集流板是將燃料電池的電能輸送到外部負載的關鍵部分。考慮到燃料電池的輸出電流較大，多采用導電率較高的金屬材料制成的金屬板（如銅板、鎳板或鍍金的金屬板）作為燃料電池的集流板。

（4）雙極板 燃料電池雙極板（Bipolar Plate，BP）又叫流場板，是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起支撐、收集電流、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。

（5）膜電極 質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心組件就是膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由質子交換膜、催化層與氣體擴散層三個部分組成所謂的“三合一結構”。PEMFC的性能由MEA決定，而MEA的性能主要由質子交換膜性能、擴散層結構、催化層材料和性能、MEA本身的制備工藝決定。

（6）緊固件 緊固件的作用主要是維持電堆各組件之間的接觸壓力。為了維持接觸壓力的穩定和補償密封件的壓縮永久變形，端板與絕緣板之間還可以添加彈性元件。

（7）密封件 燃料電池密封件的主要作用就是保證電堆內部的氣體和液體正常、安全地流動，其需要滿足以下要求：①較高的氣體阻隔性：保證對氫氣和氧氣的密封；②低透濕性：保證高分子薄膜在水蒸氣飽和狀態下工作；③耐濕性：保證高分子薄膜工作時形成飽和水蒸氣；④環境耐熱性：適應高分子薄膜的工作環境；⑤環境絕緣性：防止單體電池間電氣短路；⑥橡膠彈性體：吸收振動和沖擊；⑦耐冷卻液：保證低離子析出率。

另外，按照組件功能劃分，電堆模塊可以分為以下幾部分：

（1）供氣分配機構 包括與歧管連接并貫穿各部件的氣體主通道和單電池內雙極板流道。

（2）電堆緊固結構 包括前后端板及與之配合的緊固件（通常采用螺桿或者鋼帶）。通常按照緊固方式的不同將電堆分為螺桿緊固式電堆和鋼帶緊固式電堆，如圖1-9所示。

（3）電堆絕緣結構 主要包括電堆兩側的絕緣板。

（4）電堆密封結構 主要包括密封墊片及膜電極密封填膠。

（5）單電池 電化學反應發生場所，其包括膜電極和雙極板，是發電的最小單元。

下面將對以上五個功能性子結構逐一進行詳細闡述。

1.4.2 供氣分配機構

在電堆模塊中，通過端板上的歧管對接氫氣供給子系統、空氣供給子系統及水熱管理子系統上的對應接口，實現對電堆模塊的供氣和供液。進入電堆模塊的氣體再由模塊中的供氣分配機構將氣體及冷卻液輸配給每個單電池，以發生電化學反應并進行電池熱量轉移。電堆供氣分配機構主要由與歧管連接并貫穿各部件的腔口通道及雙極板內的流場微通道組成。

電堆模塊端板及其歧管接口如圖1-10所示，電堆模塊端板上通常包括6個接口，分別是氧氣（空氣）入口、氫氣入口、冷卻液入口、氧氣（空氣）出口、氫氣出口、冷卻液出口；6個歧管接口的位置布置根據設計采用的流動方式而定，流動方式主要有三種，分別為逆流、交叉流、并流，如圖1-11所示。根據流體接口是否位于同側可將流體流動方式進一步劃分為同側逆流、同側并流、同側交叉流、異側逆流、異側并流和異側交叉流6種流動方式。在圖1-10中，電堆模塊采用了同側并流的設計，即反應氣體接口位于同側且并行流動，而冷卻液接口則設置在另一側端板。

流體由端板處歧管接口進入電堆模塊后，在各組件預設腔口組成的通道中流動，各組件通常具有6個預設腔口并與相應歧管接口相通；流體依次流經絕緣板及集流板預設腔口后抵達單電池重復單元的雙極板腔口；根據雙極板腔口與雙極板兩側流場的連通狀態，選擇性地進入相應的流場通道（氫氣進入氫氣側流場，氧氣則進入另一側的氧氣側流場）；在單電池重復單元中，供氣和供液按照上述方式被較為均勻地分配至各個雙極板流場中。圖1-12展示了一組單電池雙極板內的氧氣、氫氣及冷卻液流動狀況，流體自雙極板腔口進入雙極板流場后，由于流場的特殊加工設計，流體首先通過流場主通道被引導進入雙極板流場中，而后進入分配區被進一步均勻分配至各流道，繼而進入活性區，流體在活性區沿著流道滲透進入內側膜電極參與反應。而未參與反應的氣體及完成換熱的冷卻液通過流場流道進入雙極板另一側的回氣腔口中，通過各組件預設腔口組成的回氣通道后離開電堆模塊。雙極板內流場的結構如圖1-13所示，按照區域不同可分為腔口區、主通道區、分配區及活性區。其中，腔口區為流體提供電堆層面的公共流道；主通道區將雙極板腔口與雙極板內流場連通，將流體引入流場；分配區將來自主通道的流體進一步均勻分配；活性區將流體盡量多地滲透進入膜電極參與電化學反應。

從燃料電池技術產生以來，人們就對流場進行了大量研究，目前常規流場有交指流場、平行流場、蛇形流場等，其結構如圖1-14所示。其中，平行流場具有較多的相互平行的通道，流程距離短，進出口壓損小，通道并聯有利于反應氣體及冷卻液在通道內的均勻分布，同時直流道結構簡單，易加工。其缺點是反應氣體在直流道中存留時間短，氣體利用率低，流速相對較低，產生的水不能及時排出，易造成堵水。蛇形流場有單通道和多通道之分，圖1-14c為單蛇形流場，所有氣體在一根流道中流動，氣體流速很大，且流道長，造成壓損過大，雖有利于反應水的排除，但不利于電流密度的均勻性和催化劑的利用。而且單根流道一旦堵塞，會直接導致電池無法使用，為了避免這種情況，多采用多通道蛇形流場，其兼有平行流場和單蛇形流場的優點，即使單根流道堵塞，其他流道也會發揮作用，同時相同活性面積采用多通道有利于減少流道的轉折，可有效降低壓力損失，保證電池的均勻性。交指流場的特點是流道是不連續的，氣體在流動的過程中，通道堵塞，迫使氣體向周圍流道擴散，這個過程會使更多的氣體進入催化層進行反應，有利于提高氣體利用率，提高功率密度。同時在強制對流的作用下，岸部和擴散層中的水極易排出。同時氣體經過擴散層強制擴散，會產生較大的壓降，如果氣流過大，強制對流可能會損傷氣體擴散層，降低電池性能。現在也在不斷開發新型流場，如仿生流場、螺旋流場、3D流場等。

1.4.3 電堆緊固結構

電堆緊固結構主要包括電堆的前后端板及用來封裝的緊固件。其中，端板位于電堆的兩端，其主要作用是將封裝力傳遞給電堆內部各個組件，實現對各組件間接觸壓力的控制并配合緊固件為電堆封裝提供緊固力；緊固件的作用主要是維持電堆各組件之間的接觸壓力。因此，兩者的協同配合可有效控制并維持電堆組件之間的接觸壓力穩定，保證電堆的穩定高性能運行。此外，緊固結構能夠為電堆模塊提供一定的機械強度和剛度以抵抗電堆受到沖擊、振動等強載荷的影響，防止其變形、錯位及失效。對緊固結構進行設計時，緊固壓緊力可以通過點壓力、線壓力和面壓力來提供。因此衍生出來了許多組裝方式，通過不同的壓緊方式將電堆組裝起來。目前比較常見的電堆緊固方式有螺桿緊固和鋼帶緊固兩種，其結構如圖1-15所示。其他緊固方式，如箱式彈簧緊固、平板緊固等，由于存在明顯缺點，目前已經較少被使用。

鋼帶緊固目前較多應用于石墨板電堆，鋼帶緊固的特點是結構緊湊，比螺桿緊固節省空間，可以在減少端板厚度和重量的同時，分散鋼帶與電堆緊固處的緊壓力，使壓緊力更均勻分布。這種緊固方法的受力面積更大，可以將壓緊力更均勻地施加在端板上，避免出現局部端板受力不均勻的情況。目前，鋼帶緊固是大型燃料電池堆比較先進的緊固技術，但該組裝工藝的設計及實施較為復雜。加拿大巴拉德公司電堆便采用了此種比較典型的緊固方式。此外，廣東國鴻氫能、北京氫璞創能、ZSW等均采用這種電堆緊固方式。

隨著技術的革新和發展，緊固方式進一步得到優化。為了解決螺桿緊固方式容易出現接觸壓力分布不均的問題，一些廠家通過對端板進行加厚及對端板結構拓撲優化的方法，有效地提高了組件壓力的均勻性。此外，一些廠家在使用鋼帶的同時，也對端板的結構進行了改良。如Power Cell電堆采用了比較典型的弧度端板配合鋼帶的壓緊方式，如圖1-16所示。這種電堆組裝方式的特點在于使用帶一定弧度的端板配合鋼帶實現壓緊，進一步提高了電堆的緊固力的均勻性。其優點主要是上下端板部分可以采用一定的鏤空結構來實現電堆的輕量化設計。

除了以上電堆緊固方式外，一些新式電堆緊固方式被研發和應用，如圖1-17所示。其中，卷曲束縛結構緊固方法使用卷曲束縛結構代替螺桿壓縮電堆，能夠降低螺桿帶來的重量，使電堆更加輕便，但仍然需要厚重的端板來分散零部件周圍部分受到的力，電堆減重不明顯。壓緊力液壓可調型螺桿緊固方式需要加入一個復雜的高壓液體控制設備，對于商用燃料電池堆來說不太實用，但是具有一定的研究價值。彈簧螺桿緊固式則是將螺桿改良為彈簧螺桿來進行壓緊。內凹弧度端板配合螺桿緊固方式是采用一個帶有弧度的內凹端板，并通過螺桿向電堆施加壓緊力，這樣的設計能夠更均勻地施加應力，但是會導致端板的體積和質量進一步增大，且端板的形式需要根據單電池片數而定制開發，較難大規模推廣使用。

1.4.4 電堆絕緣結構

質子交換膜燃料電池堆通常由幾十節到幾百節單電池串聯組成，工作狀態時的電壓范圍通常為幾十伏到幾百伏。對于高壓電而言，其觸電防護直接關系到人身安全，主要的防護措施包括基本防護和單點失效防護。基本防護主要是零部件的防護設計，通過絕緣、遮攔或外殼設計，防止人員與帶電部分直接接觸。單點失效防護主要是電位均衡和絕緣電阻防護。

在電堆模塊的絕緣設計中，絕緣板作為電堆絕緣結構，是質子交換膜燃料電池堆中的必要部件，其通常位于電堆集流板和端板之間，起到電堆集流板與電堆封裝殼體之間絕緣作用，如圖1-18所示。燃料電池堆絕緣板作為電堆的重要組成部分，除具有良好的絕緣功能外，還需要具備一定的機械強度和剛度以抵抗電堆受到沖擊、振動等強載荷的影響，防止電堆模塊的變形、錯位及失效。同時，由于需要滿足電堆供氣和供液需求，至少一側的絕緣板還需要具有反應氣體和冷卻液進出的腔口，因此絕緣板還應易加工、易成型，以匹配電堆模塊的結構設計。

電堆工作時，冷卻液將流經電堆集流板、絕緣板、端板。由于冷卻液有一定的導電性，因此絕緣板的厚度與電堆絕緣性能密切相關，絕緣板越厚，電堆絕緣性能越好，但絕緣板體積、重量、成本都顯著上升。傳統的絕緣板通常采用絕緣材料加工而成，一般為平板結構。由于絕緣板對燃料電池功率輸出無貢獻，僅對集流板和后端板電隔離，因此為提高功率密度，要求在保證絕緣距離（或絕緣電阻）的前提下最大化減少絕緣板厚度。然而，在傳統方法中，絕緣板通常用切削或注射成型加工，在制備較薄絕緣板的過程中容易產生針孔，并且可能引入其他導電材料，造成絕緣性能降低。因此，傳統的方法對絕緣板材料厚度要求較高，無法制備超薄絕緣板以滿足高功率密度需求。

對于絕緣性能和功率密度之間的權衡，豐田Mirai采用了在陰極側集流板和后端板間設置兩層絕緣板的方案。該絕緣板包括第一絕緣板和第二絕緣板，且兩層絕緣板均采用熱塑性樹脂（PET）真空成型（吹塑），這種方案能夠加工更薄的絕緣板。與采用單層絕緣板相比，雙層絕緣板方案可保證即使在一層絕緣板因針孔或混入導電雜質引起絕緣性能下降的情況下，另一層絕緣板可有效保證絕緣電阻，提高絕緣可靠性。此外，通過設置絕緣板壁部（接近于法向垂直，超過后端板邊緣部位），可保證安全的爬電距離（爬電距離指沿絕緣表面測得的兩個導電零部件之間或導電零部件與設備防護界面之間的最短路徑），提高電堆絕緣性。

1.4.5 電堆密封結構

在燃料電池性能方面，集成力對燃料電池各部件的影響仍是制約整堆性能提高的重要因素。密封件是集成力在電堆內部最主要的承力和傳力部件，其接觸壓力分布主要影響燃料電池的氣密性，并進一步影響燃料電池的電化學性能[31]。

燃料電池的密封與傳統內燃機相似，密封件用于密封雙極板的冷卻流道及雙極板和膜電極之間的反應氣體通道，可采用的材料包括三元乙丙橡膠、氟橡膠、硅膠及聚異丁烯等。密封件的選擇應考慮其在工作期間的溫濕度變化、化學物質腐蝕、氣體滲漏、絕緣性和吸收沖擊振動等性能。燃料電池的密封形式包括固態墊圈密封和液體密封膠密封。其中，液體密封膠密封可分為就地成型墊圈（FIPG）和固化裝配墊圈（CIPG）。固化裝配墊圈因其拆卸方便等優點被廣泛采用。固化裝配墊圈密封件在設計時，應綜合考慮其密封高度、彈性模量、硬度、使用溫度、工作介質因素，以便在電堆裝配和使用過程中提供足夠的密封性，傳遞接觸力[32]。

電堆整體封裝設計應考慮整堆應力分布、壽命階段內的振動和冷熱沖擊耐受性、工藝實現成本因素，在力爭體積緊湊、質量降低的情況下，實現電堆的最優封裝。

1.4.6 單電池

組成PEMFC的基本單元是單電池，由單電池組成電堆，電堆加上其他輔助系統構成了PEMFC系統。電堆和單電池的結構如圖1-19所示，單電池由雙極板（Bipolar Plate，BP）、密封件（Sealant）和膜電極（Membrane Electrode Anode，MEA）組成。雙極板是連接單電池構建電堆的重要組件，主要作用是提供流道，輸送氫氣和氧氣。雙極板除了需要具有一定的機械強度以承擔電池堆疊后的重量和外力以外，還要具有耐酸堿腐蝕性和高導電性等。目前市場上的雙極板材料主要有碳質材料、金屬材料以及金屬與碳質的復合材料三類[33]。密封件放在兩個雙極板之間，主要作用是防止反應氣體的泄漏，保證密封件正常工作也是PEMFC系統中至關重要的一環，密封材料要求抗腐蝕、抗疲勞，具有良好的延展性[34]，而各類橡膠材料能夠滿足使用要求。由氣體擴散層、催化層和質子交換膜組成的膜電極（Membrane Electrode Anode，MEA）是PEMFC的核心部件，催化層一般由Pt和C組成，催化劑是由Pt的納米顆粒分散到碳粉載體上的擔載型催化劑，催化劑可降低化學反應的活化能，提高電池的工作效率；氣體擴散層的作用是反應氣體和產物水的傳質，該部分的材料需具備一定孔隙率和適合的孔分布，選用石墨化的碳紙可滿足以上要求[35]；質子交換膜的功能是分隔燃料和氧化劑并傳導質子，目前最具代表性的隔膜是全氟磺酸膜[36]，厚度為數十微米至數百微米，能夠耐酸堿腐蝕和滿足一定的機械強度。