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(lián)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(jìn)，雙極板的市場規(guī)模同比在持續(xù)擴大。

在燃料電池核心部件國產(chǎn)化進(jìn)程中，石墨雙極板是突破最快的核心部件之一。國產(chǎn)石墨雙極板已經(jīng)擁有優(yōu)異的性能及廣泛的實際應(yīng)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(lián)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(yīng)盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導(dǎo)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(fù)合材料三類。



石墨材料是最早開發(fā)用于PEMFC雙極板的材料，其優(yōu)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(yīng)用于專用車與客車。



金屬雙極板強度高、韌性好，而且導(dǎo)電、導(dǎo)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(yīng)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(dá)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(dá)到了5kW/L。



復(fù)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(fā)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(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國內(nèi)石墨雙極板較成熟，個別廠商生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)國際先進(jìn)水平，如上海弘楓實業(yè)、上海弘竣、淄博聯(lián)強等企業(yè)。金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究較晚，技術(shù)仍有較大提升空間。現(xiàn)階段國內(nèi)金屬和復(fù)合材料雙極板的相關(guān)研究機構(gòu)及企業(yè)有武漢理工大學(xué)、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(dǎo)反應(yīng)氣流動方向,確保反應(yīng)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(guī)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(wǎng)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(jīng)溝槽的反應(yīng)氣的線速度,以排出液態(tài)水?平行流道的缺點是,一個流道中的障礙物將導(dǎo)致剩余流道中流體的重新分配,并因此存在一個阻塞死區(qū),導(dǎo)致氣體分配不均勻?優(yōu)點是加工簡單,流體阻力小?目前,很多電堆空氣側(cè)采用這種流場,流體從歧管進(jìn)入并通過流場分配段過渡到平行溝槽流場內(nèi)，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(jìn)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(fā)生變化,可以有效促進(jìn)傳質(zhì)。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(shè)計流道內(nèi)部為起伏波浪形結(jié)構(gòu)的的流場,模擬分析表明:周期性變化的波浪結(jié)構(gòu)可以提高反應(yīng)氣體流速和催化劑的效率,降低大電流密度下的傳質(zhì)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(jié)構(gòu),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(yīng)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(dǎo)致電池?zé)o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(yōu)點,即使單根道堵塞,其他流道也會發(fā)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(zhuǎn)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(yīng)氣體流量多?流速大?化學(xué)反應(yīng)速率快?反應(yīng)產(chǎn)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(jìn)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(xù)的,通過改變溝與脊的寬度比?通道的數(shù)目和溝槽的總長度來調(diào)整反應(yīng)氣流動的線速度,以排出液態(tài)水?其優(yōu)點是流體可以強制流經(jīng)流道,當(dāng)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(chǎn)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(xù)的,流道是死端,這使得反應(yīng)物流在壓力作用下穿過多孔的反應(yīng)物層,到達(dá)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(jié)構(gòu)中移走,防止淹沒并增強性能;缺點是阻力較大,且容易發(fā)生短路現(xiàn)象,目前實際較少采用?


交指狀流場

網(wǎng)狀流場網(wǎng)狀流場通常是將阻擋物規(guī)則地排列在流體進(jìn)出口之間,使流體在阻擋物間的孔隙中繞流?這種設(shè)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(wǎng)狀流場的設(shè)計,利用3D精細(xì)網(wǎng)格形成空氣與水的流通通道?與平行溝槽流場比較,該網(wǎng)狀流場提高了氧氣擴散進(jìn)入催化層的能力,降低傳質(zhì)極化?3D精細(xì)網(wǎng)格流場如圖2-26所示? 特點:3D流場可使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量,從而強化流體傳質(zhì);但其要求空壓機的壓頭較高,以克服流體在流道內(nèi)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(xì)網(wǎng)格流場

市場情況

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

雙極板具有分隔反應(yīng)氣體、收集電流和提供反應(yīng)氣體通道等功能，其質(zhì)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(gòu)成中，整車中氫燃料電池系統(tǒng)占比高達(dá)60%；系統(tǒng)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(nèi)核心零部件技術(shù)不成熟只能依賴進(jìn)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(nèi)雙極板研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)

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(fā)與生產(chǎn)。2021年，公司根據(jù)市場需求擴充產(chǎn)能，在8月底實現(xiàn)一期項目的投產(chǎn)；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(fēng)冷雙極板），同比增速達(dá)300%。

華熔科技目前擁有百萬片級石墨雙極板量產(chǎn)經(jīng)驗。隨著公司二期項目逐步實現(xiàn)投產(chǎn)，其月產(chǎn)能有望達(dá)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(yè)務(wù)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(lián)合成立的青島杜科，主要專注于超薄復(fù)合石墨雙極板組件的生產(chǎn)和銷售，截至目前，青島杜科已經(jīng)建成年產(chǎn)100萬組超薄復(fù)合石墨雙極板的生產(chǎn)線。

12月13日，青島杜科模壓復(fù)合石墨板新品發(fā)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(fù)合板擁有知識產(chǎn)權(quán)，已授權(quán)發(fā)明專利。該產(chǎn)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(yù)成型板，采用快速冷壓成型的模壓工藝，配套研發(fā)的水場和氣場粘接密封的用膠方案，擁有技術(shù)可控和成本可控的優(yōu)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(chǎn)品應(yīng)用于燃料電池汽車，現(xiàn)在擁有浙江嘉善、山東泰安兩大大生產(chǎn)基地，年產(chǎn)能200萬片。公司十年在技術(shù)上的持續(xù)積累以及強大的供貨能力，讓弘竣新能源在行業(yè)有非常廣泛的客戶基礎(chǔ)。2021年示范政策開啟，弘竣新能源出貨量實現(xiàn)在80萬片左右，同比實現(xiàn)40%的增長，其中大客戶需求量穩(wěn)中增長，小客戶數(shù)量也實現(xiàn)明顯增長。

產(chǎn)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(chǎn)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(xù)提升公司核心競爭力，弘竣新能源在研發(fā)第四代石墨雙極板，現(xiàn)已進(jìn)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(yōu)更穩(wěn)定，氣密性≤0.1SCCM，單面有糟厚度能達(dá)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(qū)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(chǎn)品的生產(chǎn)制造，公司擁有一批資深的工程人員，從項目、設(shè)計、程序、生產(chǎn)、檢測和售后服務(wù)，每個環(huán)節(jié)都配備有高水準(zhǔn)的專業(yè)人員，業(yè)內(nèi)稱，嘉裕碳素在進(jìn)入石墨雙極板領(lǐng)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(lǐng)域的深厚積淀，入局石墨雙極板市場。經(jīng)過近10深耕，嘉裕碳素創(chuàng)造性地開發(fā)出了超薄超精細(xì)石墨雙極板，并將產(chǎn)能提升至80-120萬片/年。

嘉裕碳素目前所生產(chǎn)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(nèi)首家專注氫燃料電池金屬雙極板研發(fā)及制造的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司核心技術(shù)源自上海交通大學(xué)，歷經(jīng)十六年精研創(chuàng)新，在極板構(gòu)型設(shè)計、超薄板精密成形和高速激光焊接、高性能復(fù)合納米涂層和一體化密封等方面擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到國際一流水平的金屬極板設(shè)計與制造能力。

截至目前，上海治臻累計開發(fā)了7代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬雙極板，并掌握“全工藝鏈集成”關(guān)鍵自主核心技術(shù)，實現(xiàn)了給國內(nèi)核心主機廠及電堆企業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)供貨，成為國產(chǎn)金屬板技術(shù)實力“擔(dān)當(dāng)”。2021年3月，上海治臻年產(chǎn)千萬片級金屬極板產(chǎn)線在常熟市投產(chǎn)，這是目前全球最大的一條金屬極板產(chǎn)線，同時標(biāo)志著我國氫燃料電池汽車行業(yè)由研發(fā)階段進(jìn)入規(guī)模化示范應(yīng)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(chǎn)品，在極板成本降低40%-50%的同時，還將金屬板燃料電池發(fā)動機預(yù)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(shù)，能有效極板提升壽命并降本成本，現(xiàn)階段該技術(shù)已經(jīng)具備百萬片大規(guī)模量產(chǎn)能力，為推動燃料電池行業(yè)快速降本奠定基礎(chǔ)。

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(nèi)最早涉足燃料電池金屬極板的企業(yè)之一。三佳機械經(jīng)過不斷的技術(shù)迭代，目前已成功交付了80多款不同流道形態(tài)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(dá)0.45，SUS316L材料的流道深度達(dá)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(chǎn)設(shè)備，年產(chǎn)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(shè)備，年產(chǎn)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(shè)備，用于電堆殼體、端板、集流板等零部件的加工。

博遠(yuǎn)新能源

博遠(yuǎn)新能源，全稱“博遠(yuǎn)（山東）新能源科技發(fā)展有限公司”，母公司是軸承業(yè)的龍頭企業(yè)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(yuǎn)新能源成立至今僅1年就已經(jīng)能夠給客戶提供定制化的燃料電池極板解決方案（包括設(shè)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(yuǎn)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(chǎn)品還具有接觸電阻低耐腐蝕性強的優(yōu)勢，技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超DOE要求水平，耐久性能可達(dá)到10000-15000h。

目前公司已組裝金屬雙極板的批量化生產(chǎn)線，一期產(chǎn)能為60~100萬副/年（后續(xù)產(chǎn)能逐步提升，預(yù)計在2023-2024年會達(dá)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(chǎn)設(shè)備。

上海弘楓

上海弘楓成立于1996年，專注于石墨相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)。2003年，公司開始涉足燃料電池雙極板領(lǐng)域，見證了中國氫燃電池行業(yè)發(fā)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(fā)和生產(chǎn)；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(yīng)商。

2021年，上海弘楓石墨雙極板出貨量達(dá)200萬片，同比增長100%，其中海外業(yè)務(wù)占比80%，國內(nèi)業(yè)務(wù)占比20%，營收實現(xiàn)1.2億元。上海弘楓是國內(nèi)規(guī)模最大的燃料電池極板生產(chǎn)商之一，目前年產(chǎn)能可達(dá)400萬片，累計出貨量已經(jīng)達(dá)500萬片。

神州碳業(yè)

江蘇神州碳制品是國內(nèi)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(chǎn)企業(yè)。早在2001年就曾參與同濟大學(xué)“863”項目燃料電池石墨雙極板指定供應(yīng)商，是國內(nèi)石墨雙極板領(lǐng)軍企業(yè)。作為專業(yè)生產(chǎn)石墨雙極板的企業(yè)，神州碳制品不僅是國內(nèi)最早研發(fā)生產(chǎn)燃料電池雙極板的企業(yè)，也在氫能逐漸成為熱潮的時機中為燃料電池國產(chǎn)化做出重要貢獻(xiàn)。

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(fā)與生產(chǎn)，是中國第一家開始從事氫燃料電池用石墨雙極板的研發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)。經(jīng)過二十多年的經(jīng)驗累積與沉淀，神州碳業(yè)生產(chǎn)的石墨雙極板擁有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、抗腐蝕性強、穩(wěn)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(shè)計