國內(nèi)外燃料電池電堆及組件全景圖譜

2022-11-23 來源：燃料電池發(fā)動機工程技術(shù)研究中心瀏覽數(shù)：497

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，也是燃料電池動力系統(tǒng)核心部分，由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

圖1氫燃料電池電堆構(gòu)成

國外乘用車廠大多自行開發(fā)電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現(xiàn)代等。也有少數(shù)采用合作伙伴的電堆來開發(fā)發(fā)動機的乘用車企業(yè)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開發(fā)的電堆）和奔馳（采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆）。乘用車因為空間限制，目前只能采用高壓金屬板電堆的技術(shù)方案。

目前國外可以單獨供應(yīng)車用燃料電池電堆的知名企業(yè)主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，歐洲和美國正在運營的燃料電池公交車絕大多數(shù)采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)千萬公里、數(shù)百萬小時的實車運營考驗，這兩家加拿大電堆企業(yè)都已經(jīng)具備了一定產(chǎn)能，Ballard還與廣東國鴻設(shè)立了合資企業(yè)生產(chǎn)9SSL電堆。

此外還有一些規(guī)模較小的電堆開發(fā)企業(yè)，例如英國的Erlingklinger，荷蘭的Nedstack等，在個別項目有過應(yīng)用，目前產(chǎn)能比較有限。

國內(nèi)能夠獨立自主開發(fā)電堆并經(jīng)過多年實際應(yīng)用考驗的只有大連新源動力和上海神力兩家企業(yè)，大連新源動力采用的是金屬板和復(fù)合板的技術(shù)路線，與上汽合作，開發(fā)了榮威950乘用車和上汽V80客車。上海神力成立于1998年，是中國第一家專業(yè)的燃料電池電堆研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，目前兩家都建成了燃料電池電堆中試線，正處于從小批量到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。另外有一些新興的燃料電池電堆企業(yè)，例如弗爾塞、北京氫璞、武漢眾宇等，也開發(fā)出燃料電池電堆樣機和生產(chǎn)線，正處于驗證階段。

表1電堆廠家及產(chǎn)品性能

1、雙極板

雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)零部件，起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，占整個燃料電池60%的重量和～20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料目前主要是石墨雙極板和金屬雙極板，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車一般采用石墨雙極板。

圖2燃料電池雙極板

石墨基雙極板的主流供應(yīng)商有美國POCO、美國SHF、美國Graftech、日本Fujikura RubberLTD、日本Kyushu Refractories、英國Bac2等。石墨雙極板已實現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)廠商主要有上海神力、上海弘楓、杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強碳素材料、上海喜麗碳素等公司。

目前國外金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。國內(nèi)還處于研發(fā)試制階段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源動力等企業(yè)研制出車用燃料電池金屬雙極板，并嘗試在電堆和整車中實際應(yīng)用。復(fù)合雙極板的研發(fā)目前還比較少，國內(nèi)僅有大連新源動力和武漢喜瑪拉雅等企業(yè)有所涉及，實際應(yīng)用情況還未見報導(dǎo)。

表2雙極板主要廠家及產(chǎn)品性能

2、膜電極

膜電極是電堆的核心，類似于電腦里的CPU，決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層（氣體擴散層）組成。國外膜電極的供應(yīng)商主要有3M、Johnson Matthey、Gore、Greenerity（Toray）、Kolon、Ballard等。豐田、本田等乘用車企業(yè)自主開發(fā)了膜電極，但不對外銷售。國產(chǎn)膜電極性能與國際水平接近，但專業(yè)特性上（例如鉑載量、啟停、冷啟動、抗反極等）與國際水平還有一定差距。批量化生產(chǎn)工藝和裝備差距較大，國外已實現(xiàn)Roll-to-Roll的連續(xù)化生產(chǎn)。隨著國內(nèi)市場的快速增長，國內(nèi)工程化和質(zhì)量控制的差距有望進(jìn)一步縮小。

圖3膜電極示意圖及實物圖

國內(nèi)專業(yè)的膜電極供應(yīng)商主要是武漢理工新能源，其產(chǎn)品大部分出口到美國的PlugPower公司，在國內(nèi)也有不少車用的應(yīng)用。大連新源也自主生產(chǎn)膜電極，主要是自用為上汽的發(fā)動機配套。國內(nèi)還有昆山桑萊特、南京東焱氫能、武漢喜馬拉雅、蘇州擎動等企業(yè)也開發(fā)了膜電極。

表3膜電極生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品性能

3、質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心元件，以全氟磺酸膜為主，目前國產(chǎn)化進(jìn)程提速。質(zhì)子交換膜目前主流趨勢是全氟磺酸增強型復(fù)合膜，質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到更高的性能。國外企業(yè)有美國Gore公司，科慕（以前的杜邦）、3M、日本的旭化成等，國內(nèi)能夠批量化供應(yīng)只有山東東岳一家，山東東岳的膜已經(jīng)進(jìn)入了奔馳的供應(yīng)鏈體系。

圖4質(zhì)子交換膜

表4國內(nèi)外質(zhì)子交換膜基本參數(shù)

4、催化劑

催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C，即由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔(dān)載型催化劑。

圖5Pt/C催化劑

受到資源和成本方面的限制，目前Pt的用量已經(jīng)由10年前的0.8～1g/kW降低到目前的0.1～0.4g/kW。降低燃料電池電堆Pt用量的近期目標(biāo)（2020年）是下降到0.1g/kW左右；長期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機尾氣凈化器貴金屬用量水平（<0.05g/kW）。

燃料電池催化劑的國外生產(chǎn)商主要有英國JohnsonMatthery，德國BASF，日本Tanaka，日本日清紡，比利時Umicore等；國內(nèi)有貴研鉑業(yè)，武漢喜馬拉雅，中科中創(chuàng)、蘇州擎動動力、昆山桑萊特等。

表5催化劑生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品性能

5、氣體擴散層

氣休擴散層（GDL）位于流場和膜電極之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和產(chǎn)生的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。因此，GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。

圖6氣體擴散層（GDL）

目前燃料電池生產(chǎn)商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等廠商的碳紙產(chǎn)品。東麗占據(jù)較大的市場份額，我國對碳紙的研發(fā)主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校，國內(nèi)江蘇天鳥具備優(yōu)秀的碳纖維織物的生產(chǎn)能力，但由于燃料電池市場太小，尚無量產(chǎn)計劃。

表6國內(nèi)外碳紙基本性能對比