雙極板又稱集流板，其功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。雙極板是燃料電池重要部件之一，其重量約占PEMFC電堆的80%，成本約占24%。

燃料電池雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、分配氣體的重要作用。近年，隨著燃料電池汽車示范政策逐步推進，雙極板的市場規模同比在持續擴大。

在燃料電池核心部件國產化進程中，石墨雙極板是突破最快的核心部件之一。國產石墨雙極板已經擁有優異的性能及廣泛的實際應用。

雙極板原理

雙極板又稱集流板，其功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。雙極板是燃料電池重要部件之一，其重量約占PEMFC電堆的80%，成本約占24%。

在保持一定機械強度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導阻力。目前市場上氫燃料電池的雙極板材料有石墨、金屬和復合材料三類。



石墨材料是最早開發用于PEMFC雙極板的材料，其優勢是耐腐蝕性強，耐久性高，但不足的是制作周期長，抗壓性差，成本高，目前廣泛應用于專用車與客車。



金屬雙極板強度高、韌性好，而且導電、導熱性能好，功率密度更大，可以方便的加工制成很薄的PEMFC雙極板(0.1～0.3 mm)，主要應用于乘用車，如豐田Mirai采用的就是金屬雙極板，其燃料電池模塊功率密度達到3.1kW/L；英國Intelligent Energy新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度更是達到了5kW/L。



復合材料雙極板兼具石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高強度特性，未來將向低成本化方向發展。

目前國際市場上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強，美、英復合材料雙極板處于世界先進水平。國內石墨雙極板較成熟，個別廠商生產的石墨雙極板部分性能已達國際先進水平，如上海弘楓實業、上海弘竣、淄博聯強等企業。金屬和復合材料雙極板在我國研究較晚，技術仍有較大提升空間。現階段國內金屬和復合材料雙極板的相關研究機構及企業有武漢理工大學、愛德曼氫能源、新源動力等。

雙極板流場

流場的基本功能是引導反應氣流動方向,確保反應氣均勻分配到電極的各處,同時能及時排出電池運行過程中的生成物?

常規流場形式主要包括:平行直流場?單通道蛇形流場?多通道蛇形流場?交指狀流場?網狀流場?點狀流場?螺旋流場等?但各種流場形式均有不足之處。

平行直流場可以通過改變溝與脊的寬度比和通道的長度來改變流經溝槽的反應氣的線速度,以排出液態水?平行流道的缺點是,一個流道中的障礙物將導致剩余流道中流體的重新分配,并因此存在一個阻塞死區,導致氣體分配不均勻?優點是加工簡單,流體阻力小?目前,很多電堆空氣側采用這種流場,流體從歧管進入并通過流場分配段過渡到平行溝槽流場內，平行直流場如圖所示。


平行直流場

變截面直通道流場是平行直流場的一種改進流場,變截面直通道流場如下圖所示。由于流場截面的變化,氣體沿流道的速度和方向均會發生變化,可以有效促進傳質。下圖a中是一種方形變截面流道,流道溝槽頂部和底部不平行,形成一定夾角,模擬分析表明:相比平行流道,這種變截面流道有利于增大電流密度和最大功率密度?下圖b設計流道內部為起伏波浪形結構的的流場,模擬分析表明:周期性變化的波浪結構可以提高反應氣體流速和催化劑的效率,降低大電流密度下的傳質極化?


變截面直通道流場a)方形變截面流道b)波浪形變截面流道

蛇形流場分為單通道和多通道結構,蛇形流場如下圖所示?對于單通道蛇形流道，所有氣體在一根流道中流動,氣體流速很大,且流道長,造成壓損過大,雖有利于反應水的排除,但不利于電流密度的均勻性和催化劑的利用?且單根流道一旦堵塞,直接會導致電池無法使用? 為了避免上述單蛇流場的缺點,多采用下圖b所示的多通道蛇形流道?多通道蛇形流場兼有直流場和單蛇流場的優點,即使單根道堵塞,其他流道也會發揮作用,同時相同活性面積采用多通道有利于減少流道的轉折,可有效降低壓力損失,保證電池的均勻性?蛇形流場具有反應氣體流量多?流速大?化學反應速率快?反應產生的水可隨氣體排出的特點?但因其流道過長,氣體壓力損失大,進出口氣體壓差大,不利于催化劑的利用和電流密度的均勻性?


蛇形流場a)單通道蛇形流道b)多通道蛇形流道

蛇形流道是連續的,通過改變溝與脊的寬度比?通道的數目和溝槽的總長度來調整反應氣流動的線速度,以排出液態水?其優點是流體可以強制流經流道,當然這需要一定壓頭的空壓機作為保障;缺點是流體阻力較大,在流道的末端會產生極化損失?

交指狀流場交指狀流場從極板入口到極板出口的流道通常是不連續的,流道是死端,這使得反應物流在壓力作用下穿過多孔的反應物層,到達連接于歧管裝置的流道上?交叉梳狀流場配置可有效地將水從電極結構中移走,防止淹沒并增強性能;缺點是阻力較大,且容易發生短路現象,目前實際較少采用?


交指狀流場

網狀流場網狀流場通常是將阻擋物規則地排列在流體進出口之間,使流體在阻擋物間的孔隙中繞流?這種設計靈活性更大?因為這種流場中的流體流速比較低,所以排水能力較差,不過其保濕能力相對較強?日本豐田公司在Mirai FCV上即采用網狀流場的設計,利用3D精細網格形成空氣與水的流通通道?與平行溝槽流場比較,該網狀流場提高了氧氣擴散進入催化層的能力,降低傳質極化?3D精細網格流場如圖2-26所示? 特點:3D流場可使流體產生垂直于催化層的分量,從而強化流體傳質;但其要求空壓機的壓頭較高,以克服流體在流道內的流動阻力?可以采用減少流道長度的途徑,減小阻力?


3D精細網格流場

市場情況

2018年-2020年，國內燃料電池雙極板的市場規模分別是2.5億元、2.85億元、3.1億元，呈逐年遞增狀態。目前氫燃料電池雙極板市場呈現市場規模小、技術路線多樣、參與者類型多等特點。

雙極板具有分隔反應氣體、收集電流和提供反應氣體通道等功能，其質量的好壞直接決定電堆輸出功率的大小和使用壽命的長短。在氫燃料電池汽車的成本構成中，整車中氫燃料電池系統占比高達60%；系統中電堆成本最高占比超過50%；電堆中雙極板的成本占比僅次于膜電極。

電堆成本居高不下的主要原因，一方面在于國內核心零部件技術不成熟只能依賴進口，另一方面在于市場尚未成熟，目前主要依靠的還是國家的政策推動。

國內雙極板研發生產企業

華熔科技

華熔科技由上海欄能新材料有限公司和浙江鐵獅高溫材料有限公司合資組建而成，主要從事燃料電池石墨雙極板的研發與生產。2021年，公司根據市場需求擴充產能，在8月底實現一期項目的投產；二期也已于年底完成初步驗收。全年，華熔科技燃料電池石墨雙極板出貨量約50萬組（含風冷雙極板），同比增速達300%。

華熔科技目前擁有百萬片級石墨雙極板量產經驗。隨著公司二期項目逐步實現投產，其月產能有望達到15-20萬組。華熔科技燃料電池石墨雙極板已成為公司各石墨制品項目中營收額位列第二的業務板塊。

青島杜科

由漢纜股份、杜科新材料以及青島巖海碳材料有限公司三方聯合成立的青島杜科，主要專注于超薄復合石墨雙極板組件的生產和銷售，截至目前，青島杜科已經建成年產100萬組超薄復合石墨雙極板的生產線。

12月13日，青島杜科模壓復合石墨板新品發布會與高工氫電年會同期盛大舉辦。青島杜科的模壓石墨復合板擁有知識產權，已授權發明專利。該產品采用自合成樹脂膠，和增強材料、石墨蠕蟲混合，輥壓成型預成型板，采用快速冷壓成型的模壓工藝，配套研發的水場和氣場粘接密封的用膠方案，擁有技術可控和成本可控的優勢。

弘竣新能源

弘竣新能源成立于2010年，最早在2011年開始將石墨雙極板產品應用于燃料電池汽車，現在擁有浙江嘉善、山東泰安兩大大生產基地，年產能200萬片。公司十年在技術上的持續積累以及強大的供貨能力，讓弘竣新能源在行業有非常廣泛的客戶基礎。2021年示范政策開啟，弘竣新能源出貨量實現在80萬片左右，同比實現40%的增長，其中大客戶需求量穩中增長，小客戶數量也實現明顯增長。

產品層面，目前弘竣新能源第三代石墨雙極板是市場銷售主力，該產品通過浸漬工藝使石墨板減少了95%以上的孔隙率，并且超薄可大幅降低電堆占用的體積和重量，深受市場好評。為持續提升公司核心競爭力，弘竣新能源在研發第四代石墨雙極板，現已進入小批量驗證階段。新一代石墨雙極板在材料和性能上更優更穩定，氣密性≤0.1SCCM，單面有糟厚度能達到0.5mm，槽深0.2mm。

嘉裕碳素

嘉裕碳素成立于2008年，是華南地區最早從事石墨銷售和加工配套廠家之一。由于長期從事石墨產品的生產制造，公司擁有一批資深的工程人員，從項目、設計、程序、生產、檢測和售后服務，每個環節都配備有高水準的專業人員，業內稱，嘉裕碳素在進入石墨雙極板領域之初就“站在了巨人肩膀上”。公司于2013年憑借在石墨精加工領域的深厚積淀，入局石墨雙極板市場。經過近10深耕，嘉裕碳素創造性地開發出了超薄超精細石墨雙極板，并將產能提升至80-120萬片/年。

嘉裕碳素目前所生產的石墨雙極板，單面有槽厚度在0.5mm，雙面有槽厚度在0.8mm，單組石墨雙極板的厚度在1.3mm左右，提前突破國家制定2025年前單組石墨雙極板厚度1.5mm的要求。

上海治臻

上海治臻成立于2016年，是國內首家專注氫燃料電池金屬雙極板研發及制造的國家高新技術企業。公司核心技術源自上海交通大學，歷經十六年精研創新，在極板構型設計、超薄板精密成形和高速激光焊接、高性能復合納米涂層和一體化密封等方面擁有完全自主知識產權的關鍵核心技術，達到國際一流水平的金屬極板設計與制造能力。

截至目前，上海治臻累計開發了7代具有自主知識產權的金屬雙極板，并掌握“全工藝鏈集成”關鍵自主核心技術，實現了給國內核心主機廠及電堆企業的大規模量產供貨，成為國產金屬板技術實力“擔當”。2021年3月，上海治臻年產千萬片級金屬極板產線在常熟市投產，這是目前全球最大的一條金屬極板產線，同時標志著我國氫燃料電池汽車行業由研發階段進入規模化示范應用時期。

2021年期間，上海治臻還推出了新型碳涂層金屬極板產品，在極板成本降低40%-50%的同時，還將金屬板燃料電池發動機預期壽命延長至2萬小時以上。這款金屬雙極板最大的突破在于采用了最新的碳涂層技術，能有效極板提升壽命并降本成本，現階段該技術已經具備百萬片大規模量產能力，為推動燃料電池行業快速降本奠定基礎。

三佳機械

三佳機械于2005年在上海成立，2007年通過與上海航天空間電源研究所（811研究所）合作研制氫燃料電池鈦合金單極板，成為國內最早涉足燃料電池金屬極板的企業之一。三佳機械經過不斷的技術迭代，目前已成功交付了80多款不同流道形態的金屬雙極板，材料主要為鈦合金、SUS316L等，材料厚度為0.075-0.1mm，鈦合金材料的流道深度最大可達0.45，SUS316L材料的流道深度達到0.5±0.01，流道周期分別有1.0/1.1/1.25/1.4/1.6/1.8/2.0mm，流道間均勻度≤±0.01mm，流道高度均勻度≤±0.015mm，雙極板翹曲度＜2mm。

三佳機械目前廠房面積7000平方米，擁有高精度的沖壓成形、激光焊接、超聲波清洗、氣密性檢測等雙極板生產設備，年產雙極板200萬片；擁有高精度的高速加工中心、線切割、電火花、磨床等模具加工設備，年產雙極板模具50套；還擁有五軸加工中心、臥式加工中心、立式加工中心、鉆銑攻牙中心等機械加工設備，用于電堆殼體、端板、集流板等零部件的加工。

博遠新能源

博遠新能源，全稱“博遠（山東）新能源科技發展有限公司”，母公司是軸承業的龍頭企業山東金帝精密。基于母公司在精密制造方面的深厚積淀，博遠新能源成立至今僅1年就已經能夠給客戶提供定制化的燃料電池極板解決方案（包括設計與匹配），所推出的金屬雙極板可以滿足超過150kW的大功率電堆裝堆需求。

博遠新能源金屬雙極板所使用的涂層是非貴金屬涂層，可有效降低制造成本；產品還具有接觸電阻低耐腐蝕性強的優勢，技術指標遠超DOE要求水平，耐久性能可達到10000-15000h。

目前公司已組裝金屬雙極板的批量化生產線，一期產能為60~100萬副/年（后續產能逐步提升，預計在2023-2024年會達到600萬副/年），擁有高精度的沖壓成形、激光焊接、表面涂層、注塑密封、氣密性檢測等雙極板生產設備。

上海弘楓

上海弘楓成立于1996年，專注于石墨相關產品的研發、生產。2003年，公司開始涉足燃料電池雙極板領域，見證了中國氫燃電池行業發展壯大的過程。2004年上海弘楓團隊曾參與國家863項目中“超越3號”中石墨雙極板的研發和生產；2008年奧運會和2010年世博會上，上海弘楓是國家氫燃料電池示范車的唯一石墨雙極板供應商。

2021年，上海弘楓石墨雙極板出貨量達200萬片，同比增長100%，其中海外業務占比80%，國內業務占比20%，營收實現1.2億元。上海弘楓是國內規模最大的燃料電池極板生產商之一，目前年產能可達400萬片，累計出貨量已經達500萬片。

神州碳業

江蘇神州碳制品是國內首家為中國燃料電池電堆實車測試裝上石墨雙極板的生產企業。早在2001年就曾參與同濟大學“863”項目燃料電池石墨雙極板指定供應商，是國內石墨雙極板領軍企業。作為專業生產石墨雙極板的企業，神州碳制品不僅是國內最早研發生產燃料電池雙極板的企業，也在氫能逐漸成為熱潮的時機中為燃料電池國產化做出重要貢獻。

江蘇神州碳制品于1998年開始從事氫燃料電池用石墨雙極板的研發與生產，是中國第一家開始從事氫燃料電池用石墨雙極板的研發及生產企業。經過二十多年的經驗累積與沉淀，神州碳業生產的石墨雙極板擁有優良的導電導熱性能、抗腐蝕性強、穩定耐久的阻氣性能、超薄的厚度、良好的可加工性。

參考文章：燃料電池電動汽車設計