國內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)動機工程技術研究中心瀏覽數(shù)：639

電堆是發(fā)生電化學反應的場所，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，即構成燃料電池電堆。

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

圖1氫燃料電池電堆構成

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方案。

目前國外可以單獨供應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)具備了一定產能，Ballard還與廣東國鴻設立了合資企業(yè)生產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，在個別項目有過應用，目前產能比較有限。

國內能夠獨立自主開發(fā)電堆并經(jīng)過多年實際應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合板的技術路線，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業(yè)化轉化的關鍵階段。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線，正處于驗證階段。

表1電堆廠家及產品性能

1、雙極板

雙極板是電堆的核心結構零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，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)國產化，國產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商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。國內還處于研發(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用。復合雙極板的研發(fā)目前還比較少，國內僅有大連新源動力和武漢喜瑪拉雅等企業(yè)有所涉及，實際應用情況還未見報導。

表2雙極板主要廠家及產品性能

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。隨著國內市場的快速增長，國內工程化和質量控制的差距有望進一步縮小。

圖3膜電極示意圖及實物圖

國內專業(yè)的膜電極供應商主要是武漢理工新能源，其產品大部分出口到美國的PlugPower公司，在國內也有不少車用的應用。大連新源也自主生產膜電極，主要是自用為上汽的發(fā)動機配套。國內還有昆山桑萊特、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膜電極生產廠家及產品性能

3、質子交換膜

質子交換膜是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心元件，以全氟磺酸膜為主，目前國產化進程提速。質子交換膜目前主流趨勢是全氟磺酸增強型復合膜，質子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質子傳遞的歐姆極化，以達到更高的性能。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，國內能夠批量化供應只有山東東岳一家，山東東岳的膜已經(jīng)進入了奔馳的供應鏈體系。

圖4質子交換膜