質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）是用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池，是將外部供應(yīng)的燃料（氫氣）和空氣中的氧化劑（氧氣）的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。由于單個(gè)電池輸出電壓低，通常以多片堆疊組裝的

形式組成燃料電池堆，由外部統(tǒng)一提供燃料和氧化劑，并統(tǒng)一向外部輸出電能和熱量。

由此可見(jiàn)，車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池集中了氫、熱、電、壓力等所有危險(xiǎn)因素。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池堆是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)安全性的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，本章重點(diǎn)論述其安全性問(wèn)題。

一、質(zhì)子交換膜燃料電池堆通用安全性

質(zhì)子交換膜燃料電池堆應(yīng)在易發(fā)生腐蝕、摩擦的部位采取必要的防護(hù)措施，并對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的電壓或電流、反應(yīng)氣和冷卻液的進(jìn)出口溫度、壓力或流量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者計(jì)算。GB/T20042.2-2008 對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆安全性提出了詳細(xì)要求和設(shè)計(jì)提示。在燃料電池堆設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，燃料電池堆制造商應(yīng)進(jìn)行符合GB/T 7826-2012、GB/T 7829-1987 和IEC 61508-1-2010 等標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證所有零部件適合于預(yù)期運(yùn)行的環(huán)境溫度、壓力、流速、電壓及電流范圍等條件，同時(shí)能夠耐受燃料電池堆所處環(huán)境、運(yùn)行過(guò)程和其他條件的不良影響。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池堆中有氫氣及其他儲(chǔ)能物質(zhì)或能量（例如：易燃物質(zhì)、加壓介質(zhì)、電能、機(jī)械能等），按照以下順序?yàn)橘|(zhì)子交換膜燃料電池堆采取通用安全措施：

1）消除質(zhì)子交換膜燃料電池堆的外在隱患。

2）對(duì)上述這些能量進(jìn)行被動(dòng)控制（如采用防爆片、泄壓閥、隔熱構(gòu)件等），確保能量釋放時(shí)不危及周?chē)h(huán)境。

3）對(duì)這些能量進(jìn)行主動(dòng)控制（如通過(guò)燃料電池中的電控裝置）。在這種情況下，由控制裝置故障引發(fā)的危險(xiǎn)應(yīng)逐一進(jìn)行考慮。對(duì)安全部件的評(píng)價(jià)應(yīng)符合IEC 61508 的規(guī)定，另一方面，可將危險(xiǎn)告知燃料電池系統(tǒng)集成制造商。

4）提供適當(dāng)?shù)?、與殘存危險(xiǎn)有關(guān)的安全標(biāo)記。

二、質(zhì)子交換膜燃料電池堆關(guān)鍵材料、部件及安全影響因素

質(zhì)子交換膜燃料電池堆各組件使用的材料對(duì)工作環(huán)境應(yīng)有耐受性。目前質(zhì)子交換膜燃料電池典型工作溫度為75℃左右，在工作過(guò)程中，燃料電池堆內(nèi)部組件要面對(duì)復(fù)雜的電化學(xué)環(huán)境，因此對(duì)耐腐蝕性有一定要求。此外，在車(chē)載環(huán)境下，燃料電池堆還將面對(duì)振動(dòng)、沖擊、灰塵、雨淋、環(huán)境溫度大幅度變化等不利條件，這都可能對(duì)燃料電池堆安全造成不利影響，應(yīng)充分考慮這些不利因素，并對(duì)燃料電池堆進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要結(jié)構(gòu)包括質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的多孔電極催化劑層和氣體擴(kuò)散層，以及外側(cè)構(gòu)成氣體傳輸通道和電子導(dǎo)體的極板。此外，質(zhì)子交換膜燃料電池堆兩側(cè)由端板為電池提供堆疊壓力。質(zhì)子交換膜燃料電池堆由多個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池串聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如4-1 所示。

圖4-1 質(zhì)子交換膜燃料電池堆結(jié)構(gòu)示意圖

1、質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是PEMFC 的核心部件之一，質(zhì)子交換膜是由可以傳導(dǎo)質(zhì)子的固態(tài)聚合物制成厚度僅為10μm 左右的薄膜，用于分隔氫氣和氧氣，只允許結(jié)合水和質(zhì)子在陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)之間移動(dòng)，即水傳輸和質(zhì)子傳導(dǎo)。其主要作用如下：

1）將陰極和陽(yáng)極分隔開(kāi)，阻止燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）直接混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？捎脷怏w透過(guò)率來(lái)評(píng)價(jià)，氣體透過(guò)率越高，膜的氣體阻隔性能越差，氫氣和氧氣接觸越多，使得電池兩極電勢(shì)差越低，電池的開(kāi)路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)也越低。

2）傳導(dǎo)質(zhì)子?？捎觅|(zhì)子導(dǎo)電率來(lái)評(píng)價(jià)，質(zhì)子導(dǎo)電率越高，膜的內(nèi)阻越小，氫氣的化學(xué)能可更高效地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽慈剂想姵氐男试礁摺?/span>

3）電絕緣。阻止電子在膜內(nèi)傳導(dǎo)，從而使氫氣氧化后釋放出的電子由陽(yáng)極通過(guò)外電路向陰極流動(dòng)，產(chǎn)生外部電流供人們使用。

質(zhì)子交換膜厚度與燃料電池安全性和性能密切相關(guān)，這是因?yàn)橘|(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)阻力是燃料電池輸出壓降的主要組成之一，厚度大則表示傳導(dǎo)阻力大性能低，厚度小則容易壓傷刺穿；另一方面質(zhì)子交換膜中的結(jié)合水從陰極側(cè)反向擴(kuò)散到陽(yáng)極側(cè)是由兩側(cè)之間的含水量梯度驅(qū)動(dòng)的，厚度小則含水量梯度大，反向擴(kuò)散強(qiáng)，從而允許更多的結(jié)合水電遷移，提高活性面積內(nèi)的電流密度。由此可見(jiàn)質(zhì)子交換膜的選型，尤其是厚度參數(shù)的確定，是燃料電池輸出性能和安全性能之間協(xié)調(diào)的結(jié)果。燃料電池制造商應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在保證燃料電池安全性能的前提下，選擇合適的質(zhì)子交換膜產(chǎn)品型號(hào)。

質(zhì)子交換膜損傷的主要原因有機(jī)械損傷、熱降解、化學(xué)降解等，其材料要具有足夠的電化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和一定的機(jī)械穩(wěn)定性，保證燃料電池在工作過(guò)程中能夠耐受氣流沖擊、電流沖擊和自由基攻擊而不發(fā)生降解，保證燃料電池內(nèi)部不會(huì)發(fā)生氣體竄漏、短路等危險(xiǎn)。

具體來(lái)講，陰極發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)，容易生成過(guò)氧類自由基，因此質(zhì)子交換膜應(yīng)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，以保證燃料電池的壽命。若氫氣和氧氣同時(shí)出現(xiàn)在同一側(cè)電極的催化劑上，其反應(yīng)所釋放的化學(xué)能只以熱量形式放釋出，由此形成大量放熱，導(dǎo)致燃料電池堆溫度急劇上升，當(dāng)質(zhì)子交換膜的局部溫度超過(guò)其耐受極限，就會(huì)出現(xiàn)局部破洞燒穿，進(jìn)一步導(dǎo)致更多的氫氧混合，從而發(fā)生燃料電池堆熱失控的危險(xiǎn)。此外，無(wú)論在干燥或水飽和的狀態(tài)下，質(zhì)子交換膜都應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，在組裝和使用時(shí)不會(huì)破裂，以保證使用安全和使用壽命。

質(zhì)子交換膜的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括質(zhì)子傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量、拉伸強(qiáng)度、透氣率、吸水率、溶脹率等材料屬性以及厚度和均勻性等成品參數(shù)。GB/T 20042.3-2009 詳細(xì)說(shuō)明了上述參數(shù)及其測(cè)試方法。上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)質(zhì)子交換膜的性能及安全性有重要影響，下面以透氣率為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

氫氣分子極小，具有很強(qiáng)的滲透能力，厚度僅為10μm 量級(jí)的質(zhì)子交換膜實(shí)際上并不能把氫氣完全隔離。實(shí)際上，氫氣可以直接滲透穿過(guò)質(zhì)子交換膜，該過(guò)程可等效為部分質(zhì)子攜帶電子穿過(guò)質(zhì)子交換膜，其中電子的電荷移動(dòng)可等效為一額外電流，稱為滲氫電流。滲氫電流相關(guān)信息詳見(jiàn)4.2.2 節(jié)關(guān)于膜電極的介紹。

此外，在厚度僅為10μm 量級(jí)的質(zhì)子交換膜制備過(guò)程中，由于氣泡、粉塵等其他不良因素?zé)o法完全避免，質(zhì)子交換膜必然存在微小的穿孔。氫氣從陽(yáng)極側(cè)經(jīng)該微小穿孔竄漏至陰極側(cè)，會(huì)發(fā)生前述的放熱反應(yīng)。微小穿孔竄漏表現(xiàn)為透氣率的顯著增大，而竄漏導(dǎo)致發(fā)熱量超過(guò)閾值，將發(fā)生前面所述的熱失控危險(xiǎn)。因此，嚴(yán)格限制質(zhì)子交換膜透氣率上限，避免微小穿孔竄漏過(guò)大，是避免熱失控危險(xiǎn)的重要保障。對(duì)于車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆所采用的質(zhì)子交換膜，其透氣率上限建議為0.14mL/（min·cm2），氣體體積標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為0℃，1atm（101.325kPa）。

圖4-2 質(zhì)子交換膜氫氧分隔失效原因樹(shù)狀圖

氫氧分隔是質(zhì)子交換膜的基本要求，在使用過(guò)程中，氫氧分隔失效是影響燃料電池堆壽命和安全性的主要失效模式之一。從氫氧分隔失效這一失效模式來(lái)追溯其起因，如圖4-2 所示?？梢?jiàn)，可能導(dǎo)致氫氧分隔失效的關(guān)鍵材料屬性包括材料機(jī)械強(qiáng)度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和透氣率。此外，厚度及其均勻性也對(duì)氫氧分隔失效有顯著影響。

2、MEA

膜電極（MEA）是燃料電池中最重要的部分，有燃料電池“心臟”之稱，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，提高膜電極性能能夠有效提高燃料電池單體的性能。MEA 主要由質(zhì)子交換膜（PEM）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、催化劑層（Catalyst Layer ，CL）三部分組成，其在質(zhì)子交換膜陽(yáng)極和陰極兩側(cè)分別布置多孔電極催化劑層和氣體擴(kuò)散層，通過(guò)熱壓或貼合而成。為了方便質(zhì)子交換膜燃料電池堆的堆疊組裝工藝批量化高效進(jìn)行，膜電極組件MEA 通常還包括外側(cè)的邊框。邊框具有一定的厚度和強(qiáng)度，以便與極板之間通過(guò)密封墊圈等形式實(shí)現(xiàn)密封，將氫氣、空氣、冷卻劑與燃料電池堆外部環(huán)境相互隔離。密封墊圈可布置在膜電極組件邊框上，也可布置在極板上。

膜電極組件的評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)在GB/T 20042.5-2009 中均有詳細(xì)說(shuō)明。其中，滲氫電流密度是氫氣竄漏的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。GB/Z 27753-2011 中規(guī)定，當(dāng)滲氫電流密度不小于20mA/cm2時(shí)，應(yīng)停止膜電極組合循環(huán)工況試驗(yàn)。

膜電極組件的失效主要包括兩側(cè)電極短路、氫氣竄漏、氣體泄漏、冷卻液泄漏等。其中，兩側(cè)電極短路是指碳纖維或?qū)щ娞挤垲w粒等電子導(dǎo)體穿透質(zhì)子交換膜，直接連通了陽(yáng)極和陰極兩側(cè)多孔電極催化劑層之間的電子通道，形成短路，繼而發(fā)生燃料電池堆熱失控危險(xiǎn)。而氫氣竄漏則是質(zhì)子交換膜由于受壓損傷等原因，微小穿孔擴(kuò)大，氫氣竄漏量增大，也存在發(fā)生燃料電池堆熱失控危險(xiǎn)。隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，膜電極中質(zhì)子交換膜和催化劑都會(huì)發(fā)生不同程度的老化，同時(shí)，催化劑流失進(jìn)入膜內(nèi)會(huì)加劇質(zhì)子交換膜的降解，以上都會(huì)導(dǎo)致氫氣和氧氣的竄漏。電極短路和氫氣竄漏雖然根本機(jī)理不同，但在質(zhì)子交換膜受損穿孔后發(fā)生燃料電池堆熱失控危險(xiǎn)的過(guò)程中，具有相輔相成的關(guān)系，是燃料電池制造商在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中必須避免的失效形式。膜電極的損傷或損壞輕則造成燃料電池堆性能下降，重則造成竄氣、氣體泄漏，發(fā)生危險(xiǎn)。

除了發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的中間流場(chǎng)部分，設(shè)計(jì)不合理的外圍邊框也有可能導(dǎo)致膜電極組件中的質(zhì)子交換膜損傷。由于質(zhì)子交換膜厚度僅為10μm 量級(jí)，其材料機(jī)械強(qiáng)度也低于邊框材料，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于邊框，因此質(zhì)子交換膜與邊框結(jié)構(gòu)相連處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。質(zhì)子交換膜燃料電池使用過(guò)程中，兩側(cè)氫氣和空氣壓力會(huì)因?yàn)檩d荷和工況的變化而發(fā)生變化，其壓力差變化會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜發(fā)生彎折變形，同時(shí)溫度變化導(dǎo)致的熱膨脹以及濕度變化導(dǎo)致的溶脹也均會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜發(fā)生張力變化。這些彎折變形和張力變化會(huì)因應(yīng)力集中而損傷質(zhì)子交換膜與外圍邊框連接處。可行的解決方案包括，通過(guò)運(yùn)行控制策略減少質(zhì)子交換膜兩側(cè)壓差變化，以及通過(guò)材料選型改進(jìn)降低質(zhì)子交換膜熱膨脹和溶脹。

此外，也可通過(guò)合理設(shè)計(jì)減少質(zhì)子交換膜與邊框連接區(qū)域處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度突變，并合理控制過(guò)渡膠層的厚度，以減少該處應(yīng)力集中。此外，在膜電極制備過(guò)程中，過(guò)高的溫度和過(guò)大的壓緊力容易引起質(zhì)子交換膜的損傷，造成氫氣和氧氣的竄漏，產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，應(yīng)該根據(jù)膜、催化層、擴(kuò)散層等的材質(zhì)及厚度嚴(yán)格控制操作條件。

3、氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層（GDL）的主要功能是極板與多孔電極催化劑層之間的連接匹配。極板上的氣體通道和導(dǎo)電平臺(tái)寬度雖然僅為亞毫米量級(jí)，但相比多孔電極催化劑層中的孔隙通道尺寸和顆粒尺寸仍高了兩個(gè)量級(jí)以上。因此需要纖維及孔隙通道尺寸在兩者之間的氣體擴(kuò)散層作為中介，使氣體通道中的氣體可以有效擴(kuò)散到多孔電極催化劑層，使氣體通道下方的多孔電極催化劑層中的電流可以有效傳導(dǎo)到導(dǎo)電平臺(tái)，從而提升多孔電極催化劑層的實(shí)際利用率。此外，氣體擴(kuò)散層也有保護(hù)多孔電極催化劑層，避免其從質(zhì)子交換膜表面剝離，起到防止多孔電極催化劑層表面催化劑及其載體脫落等功能。

氣體擴(kuò)散層的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括垂直和平面方向的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、透氣率、孔隙率、拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、壓縮特性、面密度、表觀密度、表面粗糙度、厚度及其均勻性等。GB/T 20042.7-2014 對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并提供了相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

氣體擴(kuò)散層由基底層和微孔層兩部分組成，基底層通常使用多孔的碳紙、碳布制成，其厚度約為40~100μm，主要作用是支撐微孔層和催化層，并為氫氣擴(kuò)散、電子和反應(yīng)生成水排出提供通道。微孔層通常是為了改善基底層的孔隙結(jié)構(gòu)而在其表面制作的一層碳粉層，厚度約為10~100μm，其主要作用是為了降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使氣體和水發(fā)生再分配，防止電極催化層“水淹”，同時(shí)防止催化層在制備的過(guò)程中滲漏到基底層。

由于碳紙和碳布中的碳纖維有可能透過(guò)多孔電極催化劑層，刺穿質(zhì)子交換膜導(dǎo)致短路和氫氣竄漏危險(xiǎn)，目前氣體擴(kuò)散層會(huì)在靠近多孔電極催化劑層一側(cè)，再噴涂一層以導(dǎo)電碳粉和聚四氟乙烯為主要成分的微孔層，降低其表面粗糙度和刺穿損傷質(zhì)子交換膜的風(fēng)險(xiǎn)。此外，微孔層中的孔隙與碳粉顆粒尺寸介于碳紙?zhí)疾己投嗫纂姌O催化劑層之間，進(jìn)一步降低了界面兩側(cè)通道的尺寸量級(jí)差異，提升了氣體傳輸和電荷傳導(dǎo)的效果。

氣體擴(kuò)散層對(duì)質(zhì)子交換膜的損傷形式主要是纖維刺穿。因此，表面粗糙度和厚度及其均勻性是氣體擴(kuò)散層影響質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能的主要參數(shù)。燃料電池制造商應(yīng)避免采用表面存在纖維斷口的氣體擴(kuò)散層，例如具有斷裂界面的碳紙。微孔層表面應(yīng)該光滑而完整，若存在肉眼可見(jiàn)的裂紋或裂縫，也有可能損傷質(zhì)子交換膜而導(dǎo)致穿孔竄漏，必須避免使用。此外，氣體擴(kuò)散層在生產(chǎn)制造時(shí)需要避免存在較長(zhǎng)的毛刺，避免在與質(zhì)子交換膜熱壓的時(shí)候刺破質(zhì)子交換膜，導(dǎo)致氣體竄漏引發(fā)危險(xiǎn)。

4、極板

燃料電池極板是燃料電池的核心零部件，是在燃料電池堆中用于收集電流、分隔氫氣和空氣、并引導(dǎo)氫氣和空氣在電池內(nèi)氣體擴(kuò)散層表面流動(dòng)的導(dǎo)電隔板，它主要起到機(jī)械支撐、物料分配、熱量傳遞以及電子傳導(dǎo)的作用。

極板的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有腐蝕電流密度、接觸電阻、體電阻率、透氣率、抗彎強(qiáng)度等材料參數(shù)，以及部件平面度、厚度均勻性等零件參數(shù)。GB/T 20042.6-2011 對(duì)上述參數(shù)提供了詳細(xì)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

目前商業(yè)化燃料電池極板材料主要分為石墨碳板、復(fù)合極板和金屬極板三大類。石墨極板擁有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性與導(dǎo)電性，一般以機(jī)械銑削工藝在石墨板表面加工氣體流道和冷卻液流道，但是其具有孔隙率高導(dǎo)致氫氣滲透、機(jī)械強(qiáng)度低導(dǎo)致不耐振動(dòng)沖擊、加工困難等技術(shù)缺點(diǎn)，同時(shí)，石墨極板難以減薄，導(dǎo)致燃料電池堆功率密度提升困難。對(duì)于石墨極板，重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)主要是透氣率和抗彎強(qiáng)度。

復(fù)合極板分為結(jié)構(gòu)復(fù)合極板和材料復(fù)合極板。結(jié)構(gòu)復(fù)合極板是以金屬薄板或其他高強(qiáng)度、高致密性導(dǎo)電板作為分隔板，以膨脹石墨、金屬網(wǎng)等材料作為流場(chǎng)板復(fù)合而成，具有致密性高、質(zhì)量輕、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。材料復(fù)合極板是基于石墨和聚合物（如聚丙烯、聚苯硫醚、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等）開(kāi)發(fā)的新型極板，其質(zhì)量更輕，力學(xué)性能更好，更易加工，但聚合物的加入犧牲了部分導(dǎo)電性。

金屬極板機(jī)械強(qiáng)度高，體積小，導(dǎo)電性好，易加工，在制造過(guò)程中，薄金屬?zèng)_壓成型技術(shù)和表面處理技術(shù)是難度最高的兩個(gè)工藝。采用金屬材料制造極板，沒(méi)有氫氣滲透和不耐振動(dòng)沖擊等問(wèn)題，而且可以采用成熟的金屬薄板成型及焊接工藝。對(duì)于金屬極板，重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)主要是腐蝕電流密度和接觸電阻。

極板要求高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱率和高強(qiáng)度，保證全生命周期燃料電池的安全性。極板表面的金屬粉塵、油含量、達(dá)因值等關(guān)鍵指標(biāo)要有效控制。對(duì)與金屬極板而言，其表面處理可以有效改善材料的耐腐蝕性和壽命，減少燃料電池在工作中的酸和水汽腐蝕問(wèn)題。

此外，部件平面度和厚度均勻性是無(wú)論石墨極板還是金屬極板都必須重視的參數(shù)。由于質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由質(zhì)子交換膜組件和極板交替堆疊，兩側(cè)由端板壓緊組裝而成，串聯(lián)的質(zhì)子交換膜組件和極板所受壓力是相同的，而質(zhì)子交換膜的材料強(qiáng)度均低于金屬極板和石墨極板，若極板的平面度和厚度均勻性較差，則極板翹曲厲害或者厚度較大的位置，其壓緊區(qū)域上的壓力就有可能超出質(zhì)子交換膜的可承受范圍，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜損傷破洞，進(jìn)而發(fā)生燃料電池堆熱失控的危險(xiǎn)；極板翹曲較小或者厚度較小的位置，其壓緊區(qū)域上就可能因壓力降低而使極板和氣體擴(kuò)散層之間接觸電阻上升，降低該處的反應(yīng)效率。為保證質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出性能和安全性能，車(chē)用電池堆極板的平面度不大于10μm，相對(duì)厚度不大于0.1μm。

5、端板

端板是將多個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池堆疊串聯(lián)起來(lái)后，在兩側(cè)為電池堆提供裝配夾緊力的部件，其上需要布置氫氣、空氣和冷卻液的進(jìn)出管道接口，以及拉桿和螺桿等提供裝配夾緊力的部件連接處。

質(zhì)子交換膜燃料電池堆端板需要一定的強(qiáng)度和良好的絕緣性。車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆體積大，較大的裝配壓力和緊湊的空間布局，決定了其端板需要有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且車(chē)用環(huán)境還要求其具有較高的振動(dòng)沖擊耐受能力。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的燃料電池堆芯兩側(cè)的電流引出結(jié)構(gòu)稱為集流板，兩端集流板之間的電壓即為燃料電池堆的輸出電壓，為避免燃料電池堆端板引發(fā)堆芯兩側(cè)集流板短路，集流板和端板之間一般設(shè)置有絕緣結(jié)構(gòu)。

端板作為燃料電池堆裝緊壓力的主要施加部件，同時(shí)布置有電池堆中的氣體和冷卻液進(jìn)出管道，而且為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)緊湊性，可能會(huì)把循環(huán)泵、噴射器等零件集成在內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)需要保持緊湊的體積和降低重量。為保證在整車(chē)使用壽命內(nèi)的燃料電池堆安全性，車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆制造商必須對(duì)端板設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度、冷熱循環(huán)、振動(dòng)沖擊、疲勞壽命等的分析校核。

質(zhì)子交換膜燃料電池堆端板一般使用金屬、環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維板和聚酯纖維板，端板上有集流板負(fù)責(zé)將電流導(dǎo)出電池，端板上有彈簧和彈簧蓋板，通過(guò)彈簧和彈簧蓋板，將燃料電池堆的緊固力控制在一定范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，多級(jí)燃料電池堆通常使用螺栓或鋼帶等封裝件進(jìn)行封裝，封裝力通過(guò)端板傳遞到內(nèi)部，使內(nèi)部各組件受壓緊密貼合，緊密貼合的接觸面產(chǎn)生摩擦力從而限制內(nèi)部組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)降低了各組件間的接觸電阻。

在封裝力作用下組件之間的接觸壓力分布不均勻是難以避免的，由于壓力不均勻而導(dǎo)致的密封件部分區(qū)域壓力過(guò)低會(huì)使氣體泄漏的可能性增加，在MEA 部分，過(guò)低的接觸壓力還會(huì)導(dǎo)致接觸電阻上升，燃料電池堆發(fā)電效率下降；而部分區(qū)域的過(guò)高壓力也會(huì)造成接觸電阻上升、物質(zhì)傳輸受阻和局部溫度升高等不利影響，甚至可能導(dǎo)致組件發(fā)生局部破壞。因此，大部分燃料電池端板使用鋁合金、不銹鋼、鈦合金等高強(qiáng)度金屬或工程塑料等材料，通過(guò)絕緣板將端板及外部輔件同內(nèi)部集流板及單電池隔絕開(kāi)來(lái)，以防止短路。部分燃料電池堆端板外側(cè)還安裝有彈性部件（如彈簧或碟簧等）以及固定彈性部件的蓋板，以控制封裝力波動(dòng)范圍，并使封裝力分配均勻。端板要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化驗(yàn)證，保證燃料電池堆內(nèi)部壓力分布均勻性在合理范圍內(nèi)。

另外，端板還需進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，保證振動(dòng)沖擊條件下的可靠性和安全性。同時(shí)燃料電池堆在工作時(shí)溫度較高，需要保證端板在較高溫度下的穩(wěn)定性并控制形變。