燃料電池電堆由端板、絕緣板、集流板、單電池（包含雙極板和MEA）組成，他們之間通過壓緊力被組裝到一起。如下圖這樣的電堆，這些零部件之間在這個示意圖中通過螺釘和端板組合施加的壓緊力被組合成了一個短電堆。這次我們就一起來學習一下電堆是如何組裝、組裝過程中需要關注什么、以及有哪些電堆組裝設計吧。
1. 電堆組裝裝置和流程
用于電堆組裝的設備基本構造如上左圖所示，與上右圖中材料研究中常用的萬能材料試驗機相似，最基本的功能是向電堆施加夾緊力。除此之外，電堆組裝機還有方便裝配的校準桿、方便均勻施加夾緊力的壓縮塊、底座以及一些氣密性檢測設備等。目前已經有許多電堆自動化組裝設備面世，但基本組裝原理與流程還是相似的：
1.將雙極板、膜電極（此處為碳紙-CCM-碳紙）、雙極板按順序依次疊加在已安裝好絕緣板、集流板的下端板上，組裝出第一個單電池；
2.重復以上步驟，利用組裝輔助定位裝置把單電池整齊地疊加成電堆；
3.安裝好最后的單電池后，疊上上端板部分，使用組裝機施加設計好的壓力將電堆壓緊；
4.向電堆的進氣歧管安裝好氣密性測試設備（此處用氮氣測試），按照測試流程進行氣密性檢測；
5.氣密性檢測通過后，在保持壓力的情況下，安裝好螺桿（壓縮力保持裝置）。隨后即可撤除壓力，至此一個電堆就組裝完畢了。
燃料電池電堆自動化組裝可以參考這個電堆生產視頻（這是國外某家廠商展示的自動化電堆生產機器），基本流程是一致的：
2. 組裝方式
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來將電堆組裝起來。目前市面上比較常見的有螺桿壓緊方式和綁帶式壓緊兩種電堆壓緊方式。
螺桿壓緊方式
德國EK電堆采用了比較典型的螺桿+端板的均勻壓緊方式。均勻壓縮方式的核心為想方法對電堆內各零部件產生盡量均勻的壓縮力。即通過厚重的端板將螺桿產生的點壓力轉換成對整個電堆均勻的應力。這種方法簡單實用，但是所使用的端板占據了較大的質量和體積。
綁帶式壓緊方式
加拿大巴拉德電堆采用了比較典型的綁帶式壓緊方式。這種方式可以在減少端板厚度和重量的同時，使壓緊力更均勻的力分布。這種緊壓方法的受力面積更大，可以將壓緊的力更均勻地施加在端板上。
有的廠商在使用綁帶的同時，也對端板的結構進行了改良。PowerCell電堆采用了比較典型的弧度端板配合綁帶的壓緊方式。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綁帶實現壓緊，進一步提高了電堆的緊固力的均勻性。其優點主要在于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。
其它電堆壓緊方式
除了以上三種電堆壓緊方式外，通過電堆相關專利檢索可以找到以下四種電堆壓緊方式，小編這邊暫時沒有搜索到有商用電堆在使用這幾種方法：
其中卷曲束縛結構代替螺桿去壓縮電堆方式能夠降低螺桿帶來的重量，但仍然需要厚重的端板來分散零部件周圍部分受到的力。“leaf spring”這種設計中，有一個帶有弧度的端板向內凹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。但是這樣的設計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。“Tie rod Spring”方式則直接使用彈簧螺桿來進行壓緊。壓緊力液壓可調型壓緊方式里，需要加入一個復雜的高壓液體控制設備，對商用燃料電池電堆來說不大實用。
3. 壓緊力對電堆的影響
壓緊力對于燃料電池電堆來說影響重大，電堆的性能和穩定性會受其影響。壓緊力既不能太大也不能太小，它必須在一個合理的范圍內。從電堆結構上看，壓緊力會對各個部分都有影響。
MEA:
較小的壓緊力也會導致雙極板與GDL之間的接觸面積與接觸力不夠，導致接觸電阻上升，電堆性能下降。同時壓緊力還會影響GDL層的孔隙率，進而影響GDL的通水和通氣性。較大的壓緊力會導致GDL產生塑性形變，改變其特性。高壓力對質子交換膜來說也有較大的風險，較高的壓力配合質子交換膜的膨脹收縮過程，會使質子交換膜更容易出現裂紋和針孔。另外，有對質子交換膜的研究顯示高壓力會導致氟化物的加速產生，而這是導致質子交換膜壽命減少的一個重要原因。
密封結構：
當壓緊力太小時，電堆內的密封結構無法起到足夠的密封作用，會導致漏氣從而引發安全問題。如果壓的不夠緊的話，各零部件之間的摩擦力也會相應減小。當電堆遇到晃動、沖擊等會對電堆產生橫向應力的情境時，各零部件之間的摩擦力就不足以保持電堆的結構穩定，零部件之間的錯位會導致電堆無法正常工作。
膠墊或者O圈的電堆密封結構經常使用硅膠材料制成。有研究顯示，雖然溫度是對其壽命的主要影響因素，但是像電堆中這樣的高應力也會一定程度上加速這個老化過程。老化的密封材料主要表現是其厚度會下降，而這個現象會反過來影響壓縮力，因此在有些電堆組裝的設計中，加入了自適應或者可調節壓縮力的裝置。
流場結構：
GDL用的可能是碳紙或者無紡布，當受到壓縮時，GDL發生的形變會使流場結構受到改變，從而對電堆性能產生影響，尤其是有較好彈性的無紡布。
壓緊力優化
因此需要利用期望函數等級（desirability funcition）來預測出其最優設計。關于壓緊力優化的研究有很多，主要的焦點在于在保證壓緊力達到最小壓緊力的前提下，如何平衡孔隙率和接觸電阻。文章Assembly design of proton exchange membrane fuel cell stack with stamped metallic bipolar plate介紹了一種優化模型。基于連續性等效模型（continous equivalent model）分別計算了在不同緊固壓力下的界面接觸電阻（ICR, interfacial contact resistance）、孔隙率。因此需要利用期望函數等級（desirability funcition）來預測出其最優設計。從它的結果中可以看到，當總體設計最優時，其期望函數等級為0.8（1表示兩個因素都是最優設計）。
4. 主要研究方向：
研究者認為，目前電堆組裝技術主要有以下四個研究方向：
- 最優化壓緊力
- 理解壓緊力對電堆各零部件及對電堆性能的影響
- 對電堆組裝過程的評估和優化手段
- 針對電堆組裝方案設計燃料電池電堆各零部件和提升電堆組裝效率
作者：楚軒
校對：鯉琨
參考文獻：
1.Millichamp, J.et al.Mechanisms and effects of mechanical compression and dimensional change in polymer electrolyte fuel cells - A review.J. Power Sources284, 305–320 (2015).
2.Wang, Y. & Song, K. State-of-the-Art and Development Trends of Assembly Technologies for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack: A Review.SAE Tech. Pap.2020-April, 1–11 (2020).
3.Ahmad, M., Harrison, R., Meredith, J., Bindel, A. & Todd, B. Validation of a fuel cell compression spring equivalent model using polarisation data.Int. J. Hydrogen Energy42, 8109–8118 (2017).
4.Qiu, D., Yi, P., Peng, L. & Lai, X. Assembly design of proton exchange membrane fuel cell stack with stamped metallic bipolar plates.Int. J. Hydrogen Energy40, 11559–11568 (2015).
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原文始發于：燃料電池電堆的組裝
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