1.4 PEMFC的电堆结构

1.4.1 电堆模块

PEMFC动力系统主要通过燃料电池堆模块搭配相应的辅助子系统，如氢气供给子系统、空气供给子系统、水热管理子系统、电力调节子系统和控制/监督子系统等实现运转发电，如图1-6所示。其中，燃料电池堆模块是发生电化学反应的场所，为燃料电池发动机提供动力来源，被称为燃料电池发动机系统的心脏，是整个燃料电池系统中最为核心的部分。图1-7展示了国内外厂家的电堆产品。

电堆模块主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封件七个部分组成，其中膜电极和两侧双极板组成单电池，为反应发电的最小单元。由于质子交换膜燃料电池（PEFMC）单电池产生的电压非常有限，即使在最理想的状态下，其产生电压也不超过1.23V，再加上伴随产生的各种极化现象会损耗生成电压，实际能输出的电压范围大概在0.6～0.8V，因此在实际使用过程中，工程师通常根据实际电流、电压和功率的需求，通过双极板与膜电极交替叠合，将多个单电池串联叠加在一起，并在各单体之间嵌入密封件，最后使用端板配合紧固件（通常采用螺杆或者钢带）以一定的压紧力将内部结构紧密封装在一起，装配成为电堆结构。质子交换膜燃料电池堆模块的剖面示意和实体结构如图1-8所示。

电堆模块中各组件的相应功能及要求如下：

（1）端板 端板的主要作用是控制各组件间的接触压力并配合紧固件提供紧固力，因此足够的强度与刚度是端板最重要的特性。足够的强度可以保证在封装力作用下端板不发生破坏，足够的刚度则可以使得端板变形更加合理，从而均匀地传递封装力到密封件和膜电极上，对于电堆性能及整体稳定性具有重要作用。

（2）绝缘板 绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离。为了提高功率密度，要求在保证绝缘距离（或绝缘电阻）的前提下最大化减小绝缘板的厚度及重量。但减小绝缘板厚度易导致在制造过程中产生针孔，并且可能引入其他导电材料，引起绝缘性能降低。

（3）集流板 集流板是将燃料电池的电能输送到外部负载的关键部分。考虑到燃料电池的输出电流较大，多采用导电率较高的金属材料制成的金属板（如铜板、镍板或镀金的金属板）作为燃料电池的集流板。

（4）双极板 燃料电池双极板（Bipolar Plate，BP）又叫流场板，是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

（5）膜电极 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由质子交换膜、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构”。PEMFC的性能由MEA决定，而MEA的性能主要由质子交换膜性能、扩散层结构、催化层材料和性能、MEA本身的制备工艺决定。

（6）紧固件 紧固件的作用主要是维持电堆各组件之间的接触压力。为了维持接触压力的稳定和补偿密封件的压缩永久变形，端板与绝缘板之间还可以添加弹性元件。

（7）密封件 燃料电池密封件的主要作用就是保证电堆内部的气体和液体正常、安全地流动，其需要满足以下要求：①较高的气体阻隔性：保证对氢气和氧气的密封；②低透湿性：保证高分子薄膜在水蒸气饱和状态下工作；③耐湿性：保证高分子薄膜工作时形成饱和水蒸气；④环境耐热性：适应高分子薄膜的工作环境；⑤环境绝缘性：防止单体电池间电气短路；⑥橡胶弹性体：吸收振动和冲击；⑦耐冷却液：保证低离子析出率。

另外，按照组件功能划分，电堆模块可以分为以下几部分：

（1）供气分配机构 包括与歧管连接并贯穿各部件的气体主通道和单电池内双极板流道。

（2）电堆紧固结构 包括前后端板及与之配合的紧固件（通常采用螺杆或者钢带）。通常按照紧固方式的不同将电堆分为螺杆紧固式电堆和钢带紧固式电堆，如图1-9所示。

（3）电堆绝缘结构 主要包括电堆两侧的绝缘板。

（4）电堆密封结构 主要包括密封垫片及膜电极密封填胶。

（5）单电池 电化学反应发生场所，其包括膜电极和双极板，是发电的最小单元。

下面将对以上五个功能性子结构逐一进行详细阐述。

1.4.2 供气分配机构

在电堆模块中，通过端板上的歧管对接氢气供给子系统、空气供给子系统及水热管理子系统上的对应接口，实现对电堆模块的供气和供液。进入电堆模块的气体再由模块中的供气分配机构将气体及冷却液输配给每个单电池，以发生电化学反应并进行电池热量转移。电堆供气分配机构主要由与歧管连接并贯穿各部件的腔口通道及双极板内的流场微通道组成。

电堆模块端板及其歧管接口如图1-10所示，电堆模块端板上通常包括6个接口，分别是氧气（空气）入口、氢气入口、冷却液入口、氧气（空气）出口、氢气出口、冷却液出口；6个歧管接口的位置布置根据设计采用的流动方式而定，流动方式主要有三种，分别为逆流、交叉流、并流，如图1-11所示。根据流体接口是否位于同侧可将流体流动方式进一步划分为同侧逆流、同侧并流、同侧交叉流、异侧逆流、异侧并流和异侧交叉流6种流动方式。在图1-10中，电堆模块采用了同侧并流的设计，即反应气体接口位于同侧且并行流动，而冷却液接口则设置在另一侧端板。

流体由端板处歧管接口进入电堆模块后，在各组件预设腔口组成的通道中流动，各组件通常具有6个预设腔口并与相应歧管接口相通；流体依次流经绝缘板及集流板预设腔口后抵达单电池重复单元的双极板腔口；根据双极板腔口与双极板两侧流场的连通状态，选择性地进入相应的流场通道（氢气进入氢气侧流场，氧气则进入另一侧的氧气侧流场）；在单电池重复单元中，供气和供液按照上述方式被较为均匀地分配至各个双极板流场中。图1-12展示了一组单电池双极板内的氧气、氢气及冷却液流动状况，流体自双极板腔口进入双极板流场后，由于流场的特殊加工设计，流体首先通过流场主通道被引导进入双极板流场中，而后进入分配区被进一步均匀分配至各流道，继而进入活性区，流体在活性区沿着流道渗透进入内侧膜电极参与反应。而未参与反应的气体及完成换热的冷却液通过流场流道进入双极板另一侧的回气腔口中，通过各组件预设腔口组成的回气通道后离开电堆模块。双极板内流场的结构如图1-13所示，按照区域不同可分为腔口区、主通道区、分配区及活性区。其中，腔口区为流体提供电堆层面的公共流道；主通道区将双极板腔口与双极板内流场连通，将流体引入流场；分配区将来自主通道的流体进一步均匀分配；活性区将流体尽量多地渗透进入膜电极参与电化学反应。

从燃料电池技术产生以来，人们就对流场进行了大量研究，目前常规流场有交指流场、平行流场、蛇形流场等，其结构如图1-14所示。其中，平行流场具有较多的相互平行的通道，流程距离短，进出口压损小，通道并联有利于反应气体及冷却液在通道内的均匀分布，同时直流道结构简单，易加工。其缺点是反应气体在直流道中存留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，易造成堵水。蛇形流场有单通道和多通道之分，图1-14c为单蛇形流场，所有气体在一根流道中流动，气体流速很大，且流道长，造成压损过大，虽有利于反应水的排除，但不利于电流密度的均匀性和催化剂的利用。而且单根流道一旦堵塞，会直接导致电池无法使用，为了避免这种情况，多采用多通道蛇形流场，其兼有平行流场和单蛇形流场的优点，即使单根流道堵塞，其他流道也会发挥作用，同时相同活性面积采用多通道有利于减少流道的转折，可有效降低压力损失，保证电池的均匀性。交指流场的特点是流道是不连续的，气体在流动的过程中，通道堵塞，迫使气体向周围流道扩散，这个过程会使更多的气体进入催化层进行反应，有利于提高气体利用率，提高功率密度。同时在强制对流的作用下，岸部和扩散层中的水极易排出。同时气体经过扩散层强制扩散，会产生较大的压降，如果气流过大，强制对流可能会损伤气体扩散层，降低电池性能。现在也在不断开发新型流场，如仿生流场、螺旋流场、3D流场等。

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。

1.4.4 电堆绝缘结构

质子交换膜燃料电池堆通常由几十节到几百节单电池串联组成，工作状态时的电压范围通常为几十伏到几百伏。对于高压电而言，其触电防护直接关系到人身安全，主要的防护措施包括基本防护和单点失效防护。基本防护主要是零部件的防护设计，通过绝缘、遮拦或外壳设计，防止人员与带电部分直接接触。单点失效防护主要是电位均衡和绝缘电阻防护。

在电堆模块的绝缘设计中，绝缘板作为电堆绝缘结构，是质子交换膜燃料电池堆中的必要部件，其通常位于电堆集流板和端板之间，起到电堆集流板与电堆封装壳体之间绝缘作用，如图1-18所示。燃料电池堆绝缘板作为电堆的重要组成部分，除具有良好的绝缘功能外，还需要具备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，防止电堆模块的变形、错位及失效。同时，由于需要满足电堆供气和供液需求，至少一侧的绝缘板还需要具有反应气体和冷却液进出的腔口，因此绝缘板还应易加工、易成型，以匹配电堆模块的结构设计。

电堆工作时，冷却液将流经电堆集流板、绝缘板、端板。由于冷却液有一定的导电性，因此绝缘板的厚度与电堆绝缘性能密切相关，绝缘板越厚，电堆绝缘性能越好，但绝缘板体积、重量、成本都显著上升。传统的绝缘板通常采用绝缘材料加工而成，一般为平板结构。由于绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离，因此为提高功率密度，要求在保证绝缘距离（或绝缘电阻）的前提下最大化减少绝缘板厚度。然而，在传统方法中，绝缘板通常用切削或注射成型加工，在制备较薄绝缘板的过程中容易产生针孔，并且可能引入其他导电材料，造成绝缘性能降低。因此，传统的方法对绝缘板材料厚度要求较高，无法制备超薄绝缘板以满足高功率密度需求。

对于绝缘性能和功率密度之间的权衡，丰田Mirai采用了在阴极侧集流板和后端板间设置两层绝缘板的方案。该绝缘板包括第一绝缘板和第二绝缘板，且两层绝缘板均采用热塑性树脂（PET）真空成型（吹塑），这种方案能够加工更薄的绝缘板。与采用单层绝缘板相比，双层绝缘板方案可保证即使在一层绝缘板因针孔或混入导电杂质引起绝缘性能下降的情况下，另一层绝缘板可有效保证绝缘电阻，提高绝缘可靠性。此外，通过设置绝缘板壁部（接近于法向垂直，超过后端板边缘部位），可保证安全的爬电距离（爬电距离指沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径），提高电堆绝缘性。

1.4.5 电堆密封结构

在燃料电池性能方面，集成力对燃料电池各部件的影响仍是制约整堆性能提高的重要因素。密封件是集成力在电堆内部最主要的承力和传力部件，其接触压力分布主要影响燃料电池的气密性，并进一步影响燃料电池的电化学性能[31]。

燃料电池的密封与传统内燃机相似，密封件用于密封双极板的冷却流道及双极板和膜电极之间的反应气体通道，可采用的材料包括三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅胶及聚异丁烯等。密封件的选择应考虑其在工作期间的温湿度变化、化学物质腐蚀、气体渗漏、绝缘性和吸收冲击振动等性能。燃料电池的密封形式包括固态垫圈密封和液体密封胶密封。其中，液体密封胶密封可分为就地成型垫圈（FIPG）和固化装配垫圈（CIPG）。固化装配垫圈因其拆卸方便等优点被广泛采用。固化装配垫圈密封件在设计时，应综合考虑其密封高度、弹性模量、硬度、使用温度、工作介质因素，以便在电堆装配和使用过程中提供足够的密封性，传递接触力[32]。

电堆整体封装设计应考虑整堆应力分布、寿命阶段内的振动和冷热冲击耐受性、工艺实现成本因素，在力争体积紧凑、质量降低的情况下，实现电堆的最优封装。

1.4.6 单电池

组成PEMFC的基本单元是单电池，由单电池组成电堆，电堆加上其他辅助系统构成了PEMFC系统。电堆和单电池的结构如图1-19所示，单电池由双极板（Bipolar Plate，BP）、密封件（Sealant）和膜电极（Membrane Electrode Anode，MEA）组成。双极板是连接单电池构建电堆的重要组件，主要作用是提供流道，输送氢气和氧气。双极板除了需要具有一定的机械强度以承担电池堆叠后的重量和外力以外，还要具有耐酸碱腐蚀性和高导电性等。目前市场上的双极板材料主要有碳质材料、金属材料以及金属与碳质的复合材料三类[33]。密封件放在两个双极板之间，主要作用是防止反应气体的泄漏，保证密封件正常工作也是PEMFC系统中至关重要的一环，密封材料要求抗腐蚀、抗疲劳，具有良好的延展性[34]，而各类橡胶材料能够满足使用要求。由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成的膜电极（Membrane Electrode Anode，MEA）是PEMFC的核心部件，催化层一般由Pt和C组成，催化剂是由Pt的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂，催化剂可降低化学反应的活化能，提高电池的工作效率；气体扩散层的作用是反应气体和产物水的传质，该部分的材料需具备一定孔隙率和适合的孔分布，选用石墨化的碳纸可满足以上要求[35]；质子交换膜的功能是分隔燃料和氧化剂并传导质子，目前最具代表性的隔膜是全氟磺酸膜[36]，厚度为数十微米至数百微米，能够耐酸碱腐蚀和满足一定的机械强度。