目前，影响燃料电池推广应用的因素除了加氢站等基础设施和法规等有待配套完善外，燃料电池的成本、耐久性、低温性能以及功率密度等仍有待提高。电堆作为燃料电池核心部件，是对外功率输出的核心，其成本约占燃料电池系统总成本的42%～62%所以电堆的开发对燃料电池推广应用至关重要。

        与传统内燃机相似，整车的功率需求、寿命、空间尺寸、成本等是燃料电池电堆的初始设计输入。燃料电池电堆的设计及改进方向，目前就是向传统内燃机看齐，力争在各方面缩小与内燃机的差距，进而突破阻碍其推广应用的掣肘。

        针对不同的车型及工况需求，燃料电池的电堆设计存在些许差异。如DOE预计，2025年，重型车将由3 个电堆并联组成391 kW 的燃料电池系统，中型车由2 个电堆并联组成202 kW 的系统。

        基于整车对电堆的实际使用需求，结合空气供给系统中空压机、燃料供给系统中氢气循环泵、冷却系统中散热器、电控系统中DC/DC 等关键部件的性能参数，考虑与拟开发电堆的匹配性后，即可基本锁定燃料电池电堆的边界设计条件。

        燃料电池电堆的设计边界条件确定后，即可开展电堆的详细设计过程，其中包括燃料电堆各组件的材料、尺寸、性能指标、电堆的密封及封装方式等。燃料电池电堆由承压端板、绝缘板、密封件、双极板、气体扩散层、MEA 以及紧固件等组成，具体见图1。电堆设计应基于对燃料电池电堆原理的掌握，基于相关部件的性能和成本掌握，综合考虑工艺的可实施性。

氢能源燃料电池堆的关键结构

1.1双极板

        双极板的设计首先应基于燃料电池电堆的实际使用如耐久性等，确定电堆双极板材料的使用类型。金属板相对更薄，体积功率密度更高，但耐久性相对差，更适用于乘用车。而石墨板耐久性更高，可应用于具有更大布置空间的商用车。双极板的厚度、流道深度、宽度、倾角和总体长度、脊的宽度以及流场形状、压降，是双极板设计的重点和难点。

目前，市售雕刻石墨双极板的厚度约为1.5～2.5 mm。Ballard 宣称其掌握石墨板组装后的厚度降至1 mm 以下。流道的宽度一般为0.5～2.5 mm，深度为0.2～2.5 mm，脊的宽度为0.2～2.5 mm，流道倾角一般为0～60°。流场的形状有直流场、交趾流场、单蛇形流畅、多蛇形流场，仿生流场和三维流场等。其中笔者所接触到的多以多蛇形流场为基础进行设计改进。流场的沟槽面积与总面积之间的比值为开孔率。考虑到双极板与其他部件之间的接触电阻，开孔率宜为40～75%。流场的压降一般为千帕级。考虑阳极采用压差排水，背压一般为20～80 kPa。

1.2膜电极

        膜电极是电化学反应的场所，是电堆的核心，其性能直接决定了燃料电池的性能。市售膜电极的性能一般可达1.2 W/cm2@0.6 V。膜电极由质子交换膜和阴阳极催化层组成。市售质子交换膜的厚度多为15～50 μm，其中Gore公司开发的10 μm的薄膜也已经被国外主机厂采用。为了提升电堆的整体性能，现多采用增强型质子交换薄膜。催化剂主要以贵金属铂为主，其中铂载量阳极为0.02～0.4 mg/cm2，阴极为0.2～0.4 mg/cm2。阳极多采用铂碳催化剂，阴极采用铂钴等合金催化剂。

1.3扩散层

        气体扩散层一般由多孔碳材料组成，包括碳纸基体和微孔层，是传输电子、反应气体和生成产物的通道，要求其具有良好的亲疏水性平衡、孔隙率、高电导率、低电阻率和良好的机械性能等。市售气体扩散层的厚度0.15～0.4 mm，孔隙率65%～80%。

1.4 密封

        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以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、硅胶以及聚异丁烯等。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。

1.5绝缘板

        目前燃料电池的工作电压范围为200～400 V，为了保证电堆使用安全，良好的绝缘保护不可或缺。绝缘板放置于2 侧端板和2 端承压板之间，其确保电堆使用中外壳绝缘，保证使用安全性，要求其具有良好的绝缘性，其材质可为硅胶等其他绝缘材料。

1.6 端板

        承压端板用于压紧组装后的电堆部件，要求其具有较大的刚度，以抵御应力下的变形，使内部电堆的部件形变更一致，接触更好；具有相对低的密度，可实现减重。常用的承压端板材料包括铝合金、不锈钢和酚醛树脂等复合材质。

1.7 紧固件

        电堆的紧固部件根据封装形式的不同而有差异。螺栓紧固由螺杆、螺母和垫片等组成，绑带紧固方式由钢带和弹簧垫圈等组成。

        综上所述，电堆的组件在选择和使用时，还要考虑工作边界条件，如压力、温度、湿度、过量系数比等。温湿度变化对质子交换膜和密封件性能有要求。反应气体工作压力的提高，有助于提升电化学性能，但同时对电堆的密封性能会提出更高的要求。目前电堆的工作压力多数在150 kPa 左右。部分厂家的电堆工作压力可达250 kPa。在满足其他条件的情况下，提高过量系数比，也有助于提升电堆整体性能，通常过量系数比为1.5～2.5，阴极过量系数比略大于阳极过量系数。

        燃料电池电堆生产制造包括膜电极和双极板制备、密封及组装过程和下线检测。考虑到核心部件和电堆的工艺技术要求严格，综合一致性要求高，作为产品级的电堆生产制备，必须采用的设备。

2.1 膜电极

        膜电极按催化剂初始喷涂载体可分为GDE 和CCM 2 种模式。GDE 模式是将催化剂喷涂于气体扩散层上，然后热压夹住中间的质子交换膜。CCM 模式是将催化剂直接喷涂在质子交换膜上，然后再覆上气体扩散层。其中因CCM 模式材料利用率高而成为行业趋势。CCM 模式又可进一步分为转印法、超声波喷涂法和卷到卷狭缝挤压法。目前而言，第yi代双面转印CCM 工艺和第二代阴极直涂阳极转印工艺仍继续被采用。丰田采用卷到卷狭缝挤压法进行膜电极的生产。双面喷涂法在解决了质子交换膜在膜电极制备中的溶胀、收缩、起皱问题后，其更高的生产效率优势将得以充分显现。膜电极制备中的催化剂料、溶剂类型和比例、浆料整体粘度、喷涂模具、涂布角度诸多因素影响着膜电极的产品质量和性能。

        有序化膜电极因其助于提高电极中催化剂的利用率、降低Pt 的用量以及增加反应的三相界面，近年来其应用研究也在不断深入。

2.2 双极板

        石墨双极板的制造主要可分为数控机械加工和模压2 种类型，另外少量采用注塑成型。其中模压是将混合粉料加入预热好的模具，固化后得到双极板，因其适合大批量生产，易于降低制造成本，目前应用广泛。近年来，以Ballard 柔性膨胀石墨板为代表的产品因其较为zhuo越的性能，也得到了广泛的关注。金属双极板采用冲压、液压、辊压成型等方式生产，生产效率高，但需要解决流道加工和耐腐蚀镀层等问题。

        密封过程如之前所述，以采用固化装配垫圈为例，主要是将密封材料涂敷于双极板密封槽内，经过固化后形成外形尺寸和高度满足设计目标的密封结构。成形过程中点胶设备的参数设置及固化温度和时间，对成形的密封件性能有较大影响。

2.3电堆

        目前，燃料电池电堆的组装方式主要有手动组装和自动组装2种。

        手动装配在试验阶段和工艺验证阶段，其效率低的劣势并不明显。装配人员借助于定位杆等，将承压板、绝缘板、集流体、双极板、膜电极等依次叠罗在一起。在外部加压装置的压缩作用下，压缩到预定程度或接触力后，用螺栓或绑带紧固在一起。手动装配由于全过程人为操作，在电堆整体尺寸不大的情况下，可满足实验测试要求。但在电堆整体尺寸较大时，累积效应产生的装配误差以及不一致性，会导致电堆的性能无法达到设计要求。

        自动装配相较于手动装配，生产效率更高。借助于自动拾取、CCD 成像等设备，自动装配可实现双极板、膜电极的自动抓取、定位和安装，整体装配误差较低，是未来电堆真正走向商品化后的必由之路。

        在燃料电池电堆量产阶段，为了保证产品的可靠性、一致性和可溯源性，相关的材料、部件等检测、记录手段在电堆制造装配过程中是*的，如热成像、CCD 成像、光学成像、红外光谱；用于质子交换膜、气体扩散层、膜电极的缺陷检查如针孔、刮擦、平面不平整度、催化剂团聚；高效智能传感器用于电堆装配中接触压力分布的实时精密测量记录；数字化互联系统用于电堆制造全生命周期的数据采集、记录和汇总。