1.4.2 电堆基本结构

燃料电池电堆由多个单电池串联组成，以更好地满足实际应用中的电压和功率需求，例如用于驱动汽车的燃料电池堆常常包括300～400片单电池。图1-5所示为包含5片电池的水冷燃料电池堆内物质传输路径。从图中可以看出，电堆中极板两侧均设计有流场结构，以电池1和电池2之间的极板为例，该极板左侧设计有电池1的阴极流场，右侧则设计有电池2的阳极流场，这也是极板部件常常被称为“双极板”的原因，而在两侧流场中间往往还设计有冷却水流场结构，为冷却水流动提供空间，满足电堆散热需求。而且从图中红色箭头表示的电子传输路径可以看出，处于电堆中间位置的燃料电池阳极催化层中，氢氧化反应生成的电子并未进入外电路，而是进入相邻燃料电池阴极催化层参与氧还原反应，如电池4阳极催化层产生的电子进入电池3阴极催化层，而电池3产生的电子则进入电池2，以此类推，电池1阳极催化层产生的电子经外电路进入电池5。从图1-5中质子传输路径可以看出，质子由每片电池阳极催化层跨膜传输至阴极催化层参与氧还原反应。电堆中各单电池在电路上是串联关系，而各单电池之间的氢气、空气和冷却水等物质传输路径在电堆中则是并联关系。

图1-6所示为水冷式质子交换膜燃料电池电堆结构，在电堆两端设计有端板结构，其主要功能是将各电池封装成一体。由于组装过程中的封装载荷几乎全部通过端板施加在内部各组件上，因此需要对端板结构进行合理设计，以保证封装载荷尽可能均匀地传递到内部接触面上。理想的端板材料应具有低密度、良好的力学性能、优异的电化学稳定性、电绝缘等特性。现有端板材料主要包括金属、非金属和复合材料三大类。端板形式按照结构可分为实心端板和加强筋端板。实心端板多见于小型电堆，以石墨板或镀银金属为材质，也有部分燃料电池堆采用塑料制实心端板，其优势主要是加工制作简单，但会较大程度地增加燃料电池堆重量。加强筋端板是现阶段燃料电池堆的主流形式，其端板材料多为带有镀层的金属。燃料电池电堆的端板形式按照功能可划分为两种：普通端板和多功能端板（即功能集成性端板）。普通端板具有氢气、空气和冷却剂的进出口，从端板强度和刚度考虑，只要保证产生预期的封装载荷，并使得封装载荷均匀分布即可。多功能端板除了满足上述要求外，还要满足一定的功能集成要求，比如安装一定数量的机械或电气阀件，例如氢气排水电磁阀、排气电磁阀、氢气压力传感器、空气温度传感器、水压传感器、水温传感器等。

图1-7所示为质子交换膜燃料电池电堆实物（东方电气V系列，额定功率200kW）。电堆两侧端板内侧一般都安装有绝缘板来确保电堆使用安全性，其材质一般为硅胶或其他绝缘材料。集流板安装于端板和绝缘板内侧、绝缘板和极板之间，通常由导电性较好的金属或石墨材料制成，其主要作用是收集电流。集流板应具有优良的导电性、较高的机械强度、较高的耐蚀性、低氢气渗透率、低热容、易于组装等特点。按一定顺序将一定数量的膜电极、双极板、密封组件、集流板、端板等堆叠在一起，通过合适的组装形式，即可组装成一个完整的电堆。

在电堆组装和紧固过程中，除需满足密封要求外，还应尽可能降低各层之间的接触电阻。图1-8所示为目前常用的两种燃料电池电堆紧固方式：螺栓紧固和钢带紧固。螺栓紧固方式更为简单实用，但这一紧固方式依赖端板将螺杆产生的点压力转化为整个电堆上的压力，导致端板质量和体积往往很大。如果端板的设计不合理，点荷载会增加端板的弯曲。此外这种点载荷的设计方式不可避免地导致装配载荷主要由双极板边缘承担，不利于载荷均匀分布。钢带紧固（多为柔性钢带）可以降低电堆厚度和重量，使电堆结构更加紧凑，而且由于装配载荷的作用区域更大，电堆载荷分布也更为均匀，但钢带紧固会增加电堆结构设计的复杂性。