1.4.2 電堆基本結(jié)構(gòu)

燃料電池電堆由多個單電池串聯(lián)組成，以更好地滿足實際應用中的電壓和功率需求，例如用于驅(qū)動汽車的燃料電池堆常常包括300～400片單電池。圖1-5所示為包含5片電池的水冷燃料電池堆內(nèi)物質(zhì)傳輸路徑。從圖中可以看出，電堆中極板兩側(cè)均設計有流場結(jié)構(gòu)，以電池1和電池2之間的極板為例，該極板左側(cè)設計有電池1的陰極流場，右側(cè)則設計有電池2的陽極流場，這也是極板部件常常被稱為“雙極板”的原因，而在兩側(cè)流場中間往往還設計有冷卻水流場結(jié)構(gòu)，為冷卻水流動提供空間，滿足電堆散熱需求。而且從圖中紅色箭頭表示的電子傳輸路徑可以看出，處于電堆中間位置的燃料電池陽極催化層中，氫氧化反應生成的電子并未進入外電路，而是進入相鄰燃料電池陰極催化層參與氧還原反應，如電池4陽極催化層產(chǎn)生的電子進入電池3陰極催化層，而電池3產(chǎn)生的電子則進入電池2，以此類推，電池1陽極催化層產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路進入電池5。從圖1-5中質(zhì)子傳輸路徑可以看出，質(zhì)子由每片電池陽極催化層跨膜傳輸至陰極催化層參與氧還原反應。電堆中各單電池在電路上是串聯(lián)關(guān)系，而各單電池之間的氫氣、空氣和冷卻水等物質(zhì)傳輸路徑在電堆中則是并聯(lián)關(guān)系。

圖1-5 包含5片電池的水冷燃料電池堆內(nèi)物質(zhì)傳輸路徑

圖1-6所示為水冷式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，在電堆兩端設計有端板結(jié)構(gòu)，其主要功能是將各電池封裝成一體。由于組裝過程中的封裝載荷幾乎全部通過端板施加在內(nèi)部各組件上，因此需要對端板結(jié)構(gòu)進行合理設計，以保證封裝載荷盡可能均勻地傳遞到內(nèi)部接觸面上。理想的端板材料應具有低密度、良好的力學性能、優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性、電絕緣等特性。現(xiàn)有端板材料主要包括金屬、非金屬和復合材料三大類。端板形式按照結(jié)構(gòu)可分為實心端板和加強筋端板。實心端板多見于小型電堆，以石墨板或鍍銀金屬為材質(zhì)，也有部分燃料電池堆采用塑料制實心端板，其優(yōu)勢主要是加工制作簡單，但會較大程度地增加燃料電池堆重量。加強筋端板是現(xiàn)階段燃料電池堆的主流形式，其端板材料多為帶有鍍層的金屬。燃料電池電堆的端板形式按照功能可劃分為兩種：普通端板和多功能端板（即功能集成性端板）。普通端板具有氫氣、空氣和冷卻劑的進出口，從端板強度和剛度考慮，只要保證產(chǎn)生預期的封裝載荷，并使得封裝載荷均勻分布即可。多功能端板除了滿足上述要求外，還要滿足一定的功能集成要求，比如安裝一定數(shù)量的機械或電氣閥件，例如氫氣排水電磁閥、排氣電磁閥、氫氣壓力傳感器、空氣溫度傳感器、水壓傳感器、水溫傳感器等。

圖1-6 水冷式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆結(jié)構(gòu)

圖1-7所示為質(zhì)子交換膜燃料電池電堆實物（東方電氣V系列，額定功率200kW）。電堆兩側(cè)端板內(nèi)側(cè)一般都安裝有絕緣板來確保電堆使用安全性，其材質(zhì)一般為硅膠或其他絕緣材料。集流板安裝于端板和絕緣板內(nèi)側(cè)、絕緣板和極板之間，通常由導電性較好的金屬或石墨材料制成，其主要作用是收集電流。集流板應具有優(yōu)良的導電性、較高的機械強度、較高的耐蝕性、低氫氣滲透率、低熱容、易于組裝等特點。按一定順序?qū)⒁欢〝?shù)量的膜電極、雙極板、密封組件、集流板、端板等堆疊在一起，通過合適的組裝形式，即可組裝成一個完整的電堆。

在電堆組裝和緊固過程中，除需滿足密封要求外，還應盡可能降低各層之間的接觸電阻。圖1-8所示為目前常用的兩種燃料電池電堆緊固方式：螺栓緊固和鋼帶緊固。螺栓緊固方式更為簡單實用，但這一緊固方式依賴端板將螺桿產(chǎn)生的點壓力轉(zhuǎn)化為整個電堆上的壓力，導致端板質(zhì)量和體積往往很大。如果端板的設計不合理，點荷載會增加端板的彎曲。此外這種點載荷的設計方式不可避免地導致裝配載荷主要由雙極板邊緣承擔，不利于載荷均勻分布。鋼帶緊固（多為柔性鋼帶）可以降低電堆厚度和重量，使電堆結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且由于裝配載荷的作用區(qū)域更大，電堆載荷分布也更為均勻，但鋼帶緊固會增加電堆結(jié)構(gòu)設計的復雜性。

圖1-7 質(zhì)子交換膜燃料電池電堆實物

圖1-8 燃料電池電堆緊固方式