國(guó)內(nèi)外燃料電池電堆及組件全景圖譜

2022-11-23 來(lái)源：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心瀏覽數(shù)：548

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分，由多個(gè)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(shí)，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(guò)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(guó)外乘用車(chē)廠大多自行開(kāi)發(fā)電堆，并不對(duì)外開(kāi)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(lái)開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車(chē)企業(yè)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開(kāi)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(chē)因?yàn)榭臻g限制，目前只能采用高壓金屬板電堆的技術(shù)方案。

目前國(guó)外可以單獨(dú)供應(yīng)車(chē)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(guó)正在運(yùn)營(yíng)的燃料電池公交車(chē)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(guò)了數(shù)千萬(wàn)公里、數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的實(shí)車(chē)運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，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(guó)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(kāi)發(fā)企業(yè)，例如英國(guó)的Erlingklinger，荷蘭的Nedstack等，在個(gè)別項(xiàng)目有過(guò)應(yīng)用，目前產(chǎn)能比較有限。

國(guó)內(nèi)能夠獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)電堆并經(jīng)過(guò)多年實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)的只有大連新源動(dòng)力和上海神力兩家企業(yè)，大連新源動(dòng)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(kāi)發(fā)了榮威950乘用車(chē)和上汽V80客車(chē)。上海神力成立于1998年，是中國(guó)第一家專(zhuān)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(kāi)發(fā)出燃料電池電堆樣機(jī)和生產(chǎn)線，正處于驗(yàn)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(gè)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(chē)均采用金屬雙極板，而商用車(chē)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(guó)POCO、美國(guó)SHF、美國(guó)Graftech、日本Fujikura RubberLTD、日本Kyushu Refractories、英國(guó)Bac2等。石墨雙極板已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)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(qiáng)碳素材料、上海喜麗碳素等公司。

目前國(guó)外金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國(guó)Dana、德國(guó)Grabener、美國(guó)treadstone等。國(guó)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(dòng)力等企業(yè)研制出車(chē)用燃料電池金屬雙極板，并嘗試在電堆和整車(chē)中實(shí)際應(yīng)用。復(fù)合雙極板的研發(fā)目前還比較少，國(guó)內(nèi)僅有大連新源動(dòng)力和武漢喜瑪拉雅等企業(yè)有所涉及，實(shí)際應(yīng)用情況還未見(jiàn)報(bào)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(lèi)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(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。國(guó)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(chē)企業(yè)自主開(kāi)發(fā)了膜電極，但不對(duì)外銷(xiāo)售。國(guó)產(chǎn)膜電極性能與國(guó)際水平接近，但專(zhuān)業(yè)特性上（例如鉑載量、啟停、冷啟動(dòng)、抗反極等）與國(guó)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(guó)外已實(shí)現(xiàn)Roll-to-Roll的連續(xù)化生產(chǎn)。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，國(guó)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(shí)物圖

國(guó)內(nèi)專(zhuān)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(guó)的PlugPower公司，在國(guó)內(nèi)也有不少車(chē)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(dòng)機(jī)配套。國(guó)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(dòng)等企業(yè)也開(kāi)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提速。質(zhì)子交換膜目前主流趨勢(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)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(guó)外企業(yè)有美國(guó)Gore公司，科慕（以前的杜邦）、3M、日本的旭化成等，國(guó)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(guó)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(zhǎng)期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器貴金屬用量水平（<0.05g/kW）。

燃料電池催化劑的國(guó)外生產(chǎn)商主要有英國(guó)JohnsonMatthery，德國(guó)BASF，日本Tanaka，日本日清紡，比利時(shí)Umicore等；國(guó)內(nèi)有貴研鉑業(yè)，武漢喜馬拉雅，中科中創(chuàng)、蘇州擎動(dòng)動(dòng)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(kuò)散層

氣休擴(kuò)散層（GDL）位于流場(chǎng)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(jī)械強(qiáng)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(kuò)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(guó)SGL等廠商的碳紙產(chǎn)品。東麗占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，我國(guó)對(duì)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(guó)內(nèi)江蘇天鳥(niǎo)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(chǎng)太小，尚無(wú)量產(chǎn)計(jì)劃。

表6國(guó)內(nèi)外碳紙基本性能對(duì)比