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基础知识概述：电堆的构造从顶部到底部依次排列为端板、绝缘层、电流收集装置、双极板、膜电极组件（MEA），以及紧固用的螺栓。Intro: 电堆组装为堆叠电池过程，施加载荷于端板实现紧密装配（见图2）。部件变形引发参数变化，影响水、反应物、电子及热传递，进而影响性能。装配载荷大小与分布关键，与装配设备相关。大规模制造组装技术不成熟为产业化障碍，电堆组装技术理论与实践突破迫切。电堆组装工艺科学问题：优化性能需确定合理装配载荷范围。过小载荷导致气密性不佳、接触电阻上升、单电池电压降低；过大则压缩GDL，降低孔隙度和渗透率，增加质子交换膜结构应力，缩短使用寿命。均匀载荷分布至关重要，确保性能无短板，提升面内一致性。压力分布与装配机理相关，自动化装配技术日益受重视，以提高生产效率，避免人为错误。![]()
电堆装配技术难点与挑战：点状：布置在端板边缘的螺栓容易使流场周围的密封区承受更大的载荷（图3）。线状：双极板高度不均匀，导致局部脊区域过压，造成GDL水淹（图4）。![]()
面状：载荷分布的不均匀，导致电流分布不均一，造成局部热点（图5）。![]()
GDL影响简述：GDL中碳纤维易碎，电堆组装时易受双极板压力变形。GDL有两种压缩状态：脊处碳纤维被挤压，孔隙率减小，传质差，易水淹；沟处基本不受压，流动无碍。但双极板挤压使碳纤维可能进入流道。研究装配载荷对GDL影响时，需考虑双极板几何形状。载荷过大，沟脊交界处对GDL产生大剪切力，有损坏风险。双极板误差分类：①流道高度变化的尺寸误差（dimensional error）；②形状误差（shape error），与冲压过程的残余应力以及焊接过程热应力有关于；③装配误差（assembly error），由电堆组装工艺决定（图7）。密封垫片位于双极板密封槽内，厚度超通道高度。电堆组装时，装配载荷需确保无气体泄漏，且垫片应力低于材料屈服极限。受力分析如图8，气体压力下垫片有滑动倾向，装配负载通过摩擦阻止其滑动，防止内部气体泄漏。端板的重要性：端板的力学性能对电堆整体表现具有显著影响。为确保电堆的优异性能，端板需具备足够的强度和刚度，同时追求小型化、轻量化以及良好的加工性。通常情况下，端板的厚度与其抗变形能力成正比，较厚的端板不仅能减少形变，还能促进应力分布的均匀性。组装载荷对欧姆电阻的具体影响包括：
- 1.适度提升组件负载能够有效减小接触电阻，然而，当界面压力过大时，会妨碍反应物的传递和水的排放，从而无法保证燃料电池性能的提升。
- 2.双极板如果存在误差，会导致接触电阻随着误差错位面积的增大而线性增长。
- 3.通过化学处理双极板表面以调控微尺度的不规则性，有助于降低接触电阻（见图9）。因此，精确控制双极板与气体扩散层（GDL）的表面粗糙度至关重要。
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电堆装配对水分传输的影响分析：水分不足会导致质子交换膜（PEM）干燥，进而削弱其质子传导能力。相反，水分过多则会堵塞气体扩散层（GDL）的孔隙，加剧传质损失。影响水分传输的关键因素包括：1.GDL的材料构成及其孔隙率；2.催化层的材质及其微观构造；3.双极板的流场设计；4.燃料电池的运行条件。此外，净拖曳系数与组装力之间存在一定的关系（见图10）。在特定范围内，随着组装力的增大，净拖曳系数会相应减小。接触热阻变化：随着载荷的增加，气体扩散层（GDL）与双极板之间的接触热阻通常会减小。
载荷均匀性的重要性：在装配技术研究中，除了关注装配载荷的大小外，载荷的均匀分布同样是一个不可忽视的方面。
1.均匀载荷的益处与不均载荷的弊端：均匀的装配载荷有助于最小化接触电阻和传质损失，从而提升燃料电池性能。相反，载荷分布不均可能导致局部热阻显著增大，同时局部过度压缩还可能引发反应物堵塞问题，进而降低燃料电池性能，甚至对燃料电池的密封性构成威胁。
2.载荷分布形式：载荷分布主要有点、线、面三种形式。①点状载荷的研究重点在于螺栓的数量和分布，这种分布方式容易在端板边缘产生应力集中现象。②相比之下，面载荷通常能够实现更均匀的装配载荷分布。③端板作为影响装配载荷分配的关键因素，其厚度的增加有助于提升负载的均匀性。
受力分析方法：采用ESM等效刚度模型进行受力分析。在螺杆装配堆中，各螺杆所受的扭矩与装配载荷之间的关系可通过特定公式进行描述。
Fclamping是组装荷载，T为每个螺钉上的扭矩，C为螺钉数目，deq称为等效摩擦直径，具体参数分析见图11。图11 螺钉装配受力示意图：（a）作用在矩形螺纹上的力，（b）螺母几何形状。螺杆装配：通过厚端板将螺杆点状压力转为均匀应力，简单实用但端板质量体积大，点载荷致双极板边缘承重，MEA活动区载荷不均，端板设计不合理会加剧弯曲。研究重点在于端板设计优化。
绑带装配：使用柔性钢带，减小端板厚度重量，使电堆紧凑，载荷分布均匀但设计复杂。
背景：燃料电池商业化面临高昂成本障碍，包括材料部件、劳动力和制造设备成本。贵金属使用导致成本难降，自动化和规模化生产可望降低人工和资金成本达50%。
电堆组装工艺：步骤包括（1）双极板、MEA与端板等组件叠加成单电池；（2）辅助定位装置堆叠多个单电池；（3）安装上层端板；（4）气密性试验；（5）合格后安装螺丝。手工操作易出错，规模化生产需保证质量和一致性。PEMFC应用于汽车，电堆功率和体积增加，自动化装配愈发重要。
电堆自动化堆叠：图12展示自动化堆叠过程，含组件进料、组装和压机压缩。自动化产线需高效且可扩展，满足不同类型电堆组装及模块化扩展需求。
自动化堆叠面临的挑战：①机械手对准精度受限，多关节结构影响灵活性，定位销使用可能导致卡位，无定位销则降低精度，引发漏气等问题。②末端执行器设计需适应不同硬度部件，如双极板硬、MEA软，过多使用增加复杂性和成本。③燃料电池设计与组装过程分离，设计时未考虑自动装配需求，导致对位与抓取困难。
图14 机械手取放过程：（a）拾取双极板，（b）释放MEA。开发自动化堆叠装配线必要条件：精度控制、自动入料、灵活处理不同组件、扩展性、可追溯性。
本田电堆装配方案：机械手抓取MEA+双极板装配单元重复堆叠，采用连接杆结构固定燃料电池单元于上下端板，防振动错位（图14）。
图15 本田电堆（a）电堆装配单元，（b）电堆组装，（c）连接杆设计。XellTM装配方案：先将12个燃料电池单体组装成3.6kW模块，然后依据功率需求进行扩展成10kw-120kw（图15）。此外，采用卧式叠片组装，减少了重力影响。
