目前，影響燃料電池推廣應用的因素除了加氫站等基礎設施和法規等有待配套完善外，燃料電池的成本、耐久性、低溫性能以及功率密度等仍有待提高。電堆作為燃料電池核心部件，是對外功率輸出的核心，其成本約占燃料電池系統總成本的42%～62%所以電堆的開發對燃料電池推廣應用至關重要。

        與傳統內燃機相似，整車的功率需求、壽命、空間尺寸、成本等是燃料電池電堆的初始設計輸入。燃料電池電堆的設計及改進方向，目前就是向傳統內燃機看齊，力爭在各方面縮小與內燃機的差距，進而突破阻礙其推廣應用的掣肘。

        針對不同的車型及工況需求，燃料電池的電堆設計存在些許差異。如DOE預計，2025年，重型車將由3 個電堆并聯組成391 kW 的燃料電池系統，中型車由2 個電堆并聯組成202 kW 的系統。

        基于整車對電堆的實際使用需求，結合空氣供給系統中空壓機、燃料供給系統中氫氣循環泵、冷卻系統中散熱器、電控系統中DC/DC 等關鍵部件的性能參數，考慮與擬開發電堆的匹配性后，即可基本鎖定燃料電池電堆的邊界設計條件。

        燃料電池電堆的設計邊界條件確定后，即可開展電堆的詳細設計過程，其中包括燃料電堆各組件的材料、尺寸、性能指標、電堆的密封及封裝方式等。燃料電池電堆由承壓端板、絕緣板、密封件、雙極板、氣體擴散層、MEA 以及緊固件等組成，具體見圖1。電堆設計應基于對燃料電池電堆原理的掌握，基于相關部件的性能和成本掌握，綜合考慮工藝的可實施性。

氫能源燃料電池堆的關鍵結構

1.1雙極板

        雙極板的設計首先應基于燃料電池電堆的實際使用如耐久性等，確定電堆雙極板材料的使用類型。金屬板相對更薄，體積功率密度更高，但耐久性相對差，更適用于乘用車。而石墨板耐久性更高，可應用于具有更大布置空間的商用車。雙極板的厚度、流道深度、寬度、傾角和總體長度、脊的寬度以及流場形狀、壓降，是雙極板設計的重點和難點。

目前，市售雕刻石墨雙極板的厚度約為1.5～2.5 mm。Ballard 宣稱其掌握石墨板組裝后的厚度降至1 mm 以下。流道的寬度一般為0.5～2.5 mm，深度為0.2～2.5 mm，脊的寬度為0.2～2.5 mm，流道傾角一般為0～60°。流場的形狀有直流場、交趾流場、單蛇形流暢、多蛇形流場，仿生流場和三維流場等。其中筆者所接觸到的多以多蛇形流場為基礎進行設計改進。流場的溝槽面積與總面積之間的比值為開孔率?？紤]到雙極板與其他部件之間的接觸電阻，開孔率宜為40～75%。流場的壓降一般為千帕級?？紤]陽極采用壓差排水，背壓一般為20～80 kPa。

1.2膜電極

        膜電極是電化學反應的場所，是電堆的核心，其性能直接決定了燃料電池的性能。市售膜電極的性能一般可達1.2 W/cm2@0.6 V。膜電極由質子交換膜和陰陽極催化層組成。市售質子交換膜的厚度多為15～50 μm，其中Gore公司開發的10 μm的薄膜也已經被國外主機廠采用。為了提升電堆的整體性能，現多采用增強型質子交換薄膜。催化劑主要以貴金屬鉑為主，其中鉑載量陽極為0.02～0.4 mg/cm2，陰極為0.2～0.4 mg/cm2。陽極多采用鉑碳催化劑，陰極采用鉑鈷等合金催化劑。

1.3擴散層

        氣體擴散層一般由多孔碳材料組成，包括碳紙基體和微孔層，是傳輸電子、反應氣體和生成產物的通道，要求其具有良好的親疏水性平衡、孔隙率、高電導率、低電阻率和良好的機械性能等。市售氣體擴散層的厚度0.15～0.4 mm，孔隙率65%～80%。

1.4 密封

        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以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、硅膠以及聚異丁烯等。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。

1.5絕緣板

        目前燃料電池的工作電壓范圍為200～400 V，為了保證電堆使用安全，良好的絕緣保護不可或缺。絕緣板放置于2 側端板和2 端承壓板之間，其確保電堆使用中外殼絕緣，保證使用安全性，要求其具有良好的絕緣性，其材質可為硅膠等其他絕緣材料。

1.6 端板

        承壓端板用于壓緊組裝后的電堆部件，要求其具有較大的剛度，以抵御應力下的變形，使內部電堆的部件形變更一致，接觸更好；具有相對低的密度，可實現減重。常用的承壓端板材料包括鋁合金、不銹鋼和酚醛樹脂等復合材質。

1.7 緊固件

        電堆的緊固部件根據封裝形式的不同而有差異。螺栓緊固由螺桿、螺母和墊片等組成，綁帶緊固方式由鋼帶和彈簧墊圈等組成。

        綜上所述，電堆的組件在選擇和使用時，還要考慮工作邊界條件，如壓力、溫度、濕度、過量系數比等。溫濕度變化對質子交換膜和密封件性能有要求。反應氣體工作壓力的提高，有助于提升電化學性能，但同時對電堆的密封性能會提出更高的要求。目前電堆的工作壓力多數在150 kPa 左右。部分廠家的電堆工作壓力可達250 kPa。在滿足其他條件的情況下，提高過量系數比，也有助于提升電堆整體性能，通常過量系數比為1.5～2.5，陰極過量系數比略大于陽極過量系數。

        燃料電池電堆生產制造包括膜電極和雙極板制備、密封及組裝過程和下線檢測?？紤]到核心部件和電堆的工藝技術要求嚴格，綜合一致性要求高，作為產品級的電堆生產制備，必須采用的設備。

2.1 膜電極

        膜電極按催化劑初始噴涂載體可分為GDE 和CCM 2 種模式。GDE 模式是將催化劑噴涂于氣體擴散層上，然后熱壓夾住中間的質子交換膜。CCM 模式是將催化劑直接噴涂在質子交換膜上，然后再覆上氣體擴散層。其中因CCM 模式材料利用率高而成為行業趨勢。CCM 模式又可進一步分為轉印法、超聲波噴涂法和卷到卷狹縫擠壓法。目前而言，第yi代雙面轉印CCM 工藝和第二代陰極直涂陽極轉印工藝仍繼續被采用。豐田采用卷到卷狹縫擠壓法進行膜電極的生產。雙面噴涂法在解決了質子交換膜在膜電極制備中的溶脹、收縮、起皺問題后，其更高的生產效率優勢將得以充分顯現。膜電極制備中的催化劑料、溶劑類型和比例、漿料整體粘度、噴涂模具、涂布角度諸多因素影響著膜電極的產品質量和性能。

        有序化膜電極因其助于提高電極中催化劑的利用率、降低Pt 的用量以及增加反應的三相界面，近年來其應用研究也在不斷深入。

2.2 雙極板

        石墨雙極板的制造主要可分為數控機械加工和模壓2 種類型，另外少量采用注塑成型。其中模壓是將混合粉料加入預熱好的模具，固化后得到雙極板，因其適合大批量生產，易于降低制造成本，目前應用廣泛。近年來，以Ballard 柔性膨脹石墨板為代表的產品因其較為zhuo越的性能，也得到了廣泛的關注。金屬雙極板采用沖壓、液壓、輥壓成型等方式生產，生產效率高，但需要解決流道加工和耐腐蝕鍍層等問題。

        密封過程如之前所述，以采用固化裝配墊圈為例，主要是將密封材料涂敷于雙極板密封槽內，經過固化后形成外形尺寸和高度滿足設計目標的密封結構。成形過程中點膠設備的參數設置及固化溫度和時間，對成形的密封件性能有較大影響。

2.3電堆

        目前，燃料電池電堆的組裝方式主要有手動組裝和自動組裝2種。

        手動裝配在試驗階段和工藝驗證階段，其效率低的劣勢并不明顯。裝配人員借助于定位桿等，將承壓板、絕緣板、集流體、雙極板、膜電極等依次疊羅在一起。在外部加壓裝置的壓縮作用下，壓縮到預定程度或接觸力后，用螺栓或綁帶緊固在一起。手動裝配由于全過程人為操作，在電堆整體尺寸不大的情況下，可滿足實驗測試要求。但在電堆整體尺寸較大時，累積效應產生的裝配誤差以及不一致性，會導致電堆的性能無法達到設計要求。

        自動裝配相較于手動裝配，生產效率更高。借助于自動拾取、CCD 成像等設備，自動裝配可實現雙極板、膜電極的自動抓取、定位和安裝，整體裝配誤差較低，是未來電堆真正走向商品化后的必由之路。

        在燃料電池電堆量產階段，為了保證產品的可靠性、一致性和可溯源性，相關的材料、部件等檢測、記錄手段在電堆制造裝配過程中是*的，如熱成像、CCD 成像、光學成像、紅外光譜；用于質子交換膜、氣體擴散層、膜電極的缺陷檢查如針孔、刮擦、平面不平整度、催化劑團聚；高效智能傳感器用于電堆裝配中接觸壓力分布的實時精密測量記錄；數字化互聯系統用于電堆制造全生命周期的數據采集、記錄和匯總。