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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(yáng)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(chǎng)規(guī)模同比在持續(xù)擴(kuò)大。
在燃料電池核心部件國(guó)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(guó)產(chǎn)石墨雙極板已經(jīng)擁有優(yōu)異的性能及廣泛的實(shí)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(yáng)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(jī)械強(qiáng)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(duì)電流和熱的傳導(dǎo)阻力。目前市場(chǎng)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(kāi)發(fā)用于PEMFC雙極板的材料，其優(yōu)勢(shì)是耐腐蝕性強(qiáng)，耐久性高，但不足的是制作周期長(zhǎng)，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(qiáng)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(guó)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(qiáng)度特性，未來(lái)將向低成本化方向發(fā)展。
目前國(guó)際市場(chǎng)上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強(qiáng)，美、英復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)石墨雙極板較成熟，個(gè)別廠商生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，如上海弘楓實(shí)業(yè)、上海弘竣、淄博聯(lián)強(qiáng)等企業(yè)。金屬和復(fù)合材料雙極板在我國(guó)研究較晚，技術(shù)仍有較大提升空間?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)金屬和復(fù)合材料雙極板的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)有武漢理工大學(xué)、愛(ài)德曼氫能源、新源動(dòng)力等。
雙極板流場(chǎng)
流場(chǎng)的基本功能是引導(dǎo)反應(yīng)氣流動(dòng)方向,確保反應(yīng)氣均勻分配到電極的各處,同時(shí)能及時(shí)排出電池運(yùn)行過(guò)程中的生成物?
常規(guī)流場(chǎng)形式主要包括:平行直流場(chǎng)?單通道蛇形流場(chǎng)?多通道蛇形流場(chǎng)?交指狀流場(chǎng)?網(wǎng)狀流場(chǎng)?點(diǎn)狀流場(chǎng)?螺旋流場(chǎng)等?但各種流場(chǎng)形式均有不足之處。
平行直流場(chǎng)可以通過(guò)改變溝與脊的寬度比和通道的長(zhǎng)度來(lái)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(diǎn)是,一個(gè)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(gè)阻塞死區(qū),導(dǎo)致氣體分配不均勻?優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單,流體阻力小?目前,很多電堆空氣側(cè)采用這種流場(chǎng),流體從歧管進(jìn)入并通過(guò)流場(chǎng)分配段過(guò)渡到平行溝槽流場(chǎng)內(nèi)，平行直流場(chǎng)如圖所示。
平行直流場(chǎng)
變截面直通道流場(chǎng)是平行直流場(chǎng)的一種改進(jìn)流場(chǎng),變截面直通道流場(chǎng)如下圖所示。由于流場(chǎng)截面的變化,氣體沿流道的速度和方向均會(huì)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(jì)流道內(nèi)部為起伏波浪形結(jié)構(gòu)的的流場(chǎng),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(chǎng)a)方形變截面流道b)波浪形變截面流道
蛇形流場(chǎng)分為單通道和多通道結(jié)構(gòu),蛇形流場(chǎng)如下圖所示?對(duì)于單通道蛇形流道，所有氣體在一根流道中流動(dòng),氣體流速很大,且流道長(zhǎng),造成壓損過(guò)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(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法使用? 為了避免上述單蛇流場(chǎng)的缺點(diǎn),多采用下圖b所示的多通道蛇形流道?多通道蛇形流場(chǎng)兼有直流場(chǎng)和單蛇流場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn),即使單根道堵塞,其他流道也會(huì)發(fā)揮作用,同時(shí)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(chǎng)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(diǎn)?但因其流道過(guò)長(zhǎng),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(chǎng)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(guò)改變溝與脊的寬度比?通道的數(shù)目和溝槽的總長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整反應(yīng)氣流動(dòng)的線速度,以排出液態(tài)水?其優(yōu)點(diǎn)是流體可以強(qiáng)制流經(jīng)流道,當(dāng)然這需要一定壓頭的空壓機(jī)作為保障;缺點(diǎn)是流體阻力較大,在流道的末端會(huì)產(chǎn)生極化損失?
交指狀流場(chǎng)交指狀流場(chǎng)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(guò)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(chǎng)配置可有效地將水從電極結(jié)構(gòu)中移走,防止淹沒(méi)并增強(qiáng)性能;缺點(diǎn)是阻力較大,且容易發(fā)生短路現(xiàn)象,目前實(shí)際較少采用?
交指狀流場(chǎng)
網(wǎng)狀流場(chǎng)網(wǎng)狀流場(chǎng)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(jì)靈活性更大?因?yàn)檫@種流場(chǎng)中的流體流速比較低,所以排水能力較差,不過(guò)其保濕能力相對(duì)較強(qiáng)?日本豐田公司在Mirai FCV上即采用網(wǎng)狀流場(chǎng)的設(shè)計(jì),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(chǎng)比較,該網(wǎng)狀流場(chǎng)提高了氧氣擴(kuò)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(chǎng)如圖2-26所示? 特點(diǎn):3D流場(chǎng)可使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量,從而強(qiáng)化流體傳質(zhì);但其要求空壓機(jī)的壓頭較高,以克服流體在流道內(nèi)的流動(dòng)阻力?可以采用減少流道長(zhǎng)度的途徑,減小阻力?
3D精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)
市場(chǎng)情況
2018年-2020年，國(guó)內(nèi)燃料電池雙極板的市場(chǎng)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(chǎng)呈現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模小、技術(shù)路線多樣、參與者類型多等特點(diǎn)。
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(zhǎng)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(guò)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(guó)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(chǎng)尚未成熟，目前主要依靠的還是國(guó)家的政策推動(dòng)。
國(guó)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(chǎng)需求擴(kuò)充產(chǎn)能，在8月底實(shí)現(xiàn)一期項(xiàng)目的投產(chǎn)；二期也已于年底完成初步驗(yàn)收。全年，華熔科技燃料電池石墨雙極板出貨量約50萬(wàn)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(wàn)片級(jí)石墨雙極板量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。隨著公司二期項(xiàng)目逐步實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)，其月產(chǎn)能有望達(dá)到15-20萬(wàn)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(xiàng)目中營(yíng)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(wàn)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(huì)與高工氫電年會(huì)同期盛大舉辦。青島杜科的模壓石墨復(fù)合板擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已授權(quán)發(fā)明專利。該產(chǎn)品采用自合成樹(shù)脂膠，和增強(qiáng)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(chǎng)和氣場(chǎng)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(shì)。
弘竣新能源
弘竣新能源成立于2010年，最早在2011年開(kāi)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(wàn)片。公司十年在技術(shù)上的持續(xù)積累以及強(qiáng)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(kāi)啟，弘竣新能源出貨量實(shí)現(xiàn)在80萬(wàn)片左右，同比實(shí)現(xiàn)40%的增長(zhǎng)，其中大客戶需求量穩(wěn)中增長(zhǎng)，小客戶數(shù)量也實(shí)現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。
產(chǎn)品層面，目前弘竣新能源第三代石墨雙極板是市場(chǎng)銷售主力，該產(chǎn)品通過(guò)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(chǎng)好評(píng)。為持續(xù)提升公司核心競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)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(zhǎng)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(xiàng)目、設(shè)計(jì)、程序、生產(chǎn)、檢測(cè)和售后服務(wù)，每個(gè)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(chǎng)。經(jīng)過(guò)近10深耕，嘉裕碳素創(chuàng)造性地開(kāi)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(wàn)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(guó)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(guó)內(nèi)首家專注氫燃料電池金屬雙極板研發(fā)及制造的國(guó)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(jì)、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(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到國(guó)際一流水平的金屬極板設(shè)計(jì)與制造能力。
截至目前，上海治臻累計(jì)開(kāi)發(fā)了7代具有自主知識(shí)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(shí)現(xiàn)了給國(guó)內(nèi)核心主機(jī)廠及電堆企業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)供貨，成為國(guó)產(chǎn)金屬板技術(shù)實(shí)力“擔(dān)當(dāng)”。2021年3月，上海治臻年產(chǎn)千萬(wàn)片級(jí)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(shí)標(biāo)志著我國(guó)氫燃料電池汽車行業(yè)由研發(fā)階段進(jìn)入規(guī)?；痉稇?yīng)用時(shí)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(shí)，還將金屬板燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)期壽命延長(zhǎng)至2萬(wàn)小時(shí)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(wàn)片大規(guī)模量產(chǎn)能力，為推動(dòng)燃料電池行業(yè)快速降本奠定基礎(chǔ)。
三佳機(jī)械
三佳機(jī)械于2005年在上海成立，2007年通過(guò)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(guó)內(nèi)最早涉足燃料電池金屬極板的企業(yè)之一。三佳機(jī)械經(jīng)過(guò)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(jī)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(cè)等雙極板生產(chǎn)設(shè)備，年產(chǎn)雙極板200萬(wàn)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(jī)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?；谀腹驹诰苤圃旆矫娴纳詈穹e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(jì)與匹配），所推出的金屬雙極板可以滿足超過(guò)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(wàn)副/年（后續(xù)產(chǎn)能逐步提升，預(yù)計(jì)在2023-2024年會(huì)達(dá)到600萬(wàn)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(cè)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(kāi)始涉足燃料電池雙極板領(lǐng)域，見(jiàn)證了中國(guó)氫燃電池行業(yè)發(fā)展壯大的過(guò)程。2004年上海弘楓團(tuán)隊(duì)曾參與國(guó)家863項(xiàng)目中“超越3號(hào)”中石墨雙極板的研發(fā)和生產(chǎn)；2008年奧運(yùn)會(huì)和2010年世博會(huì)上，上海弘楓是國(guó)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(wàn)片，同比增長(zhǎng)100%，其中海外業(yè)務(wù)占比80%，國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)占比20%，營(yíng)收實(shí)現(xiàn)1.2億元。上海弘楓是國(guó)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(wàn)片，累計(jì)出貨量已經(jīng)達(dá)500萬(wàn)片。
神州碳業(yè)
江蘇神州碳制品是國(guó)內(nèi)首家為中國(guó)燃料電池電堆實(shí)車測(cè)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(jì)大學(xué)“863”項(xiàng)目燃料電池石墨雙極板指定供應(yīng)商，是國(guó)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(guó)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(shí)機(jī)中為燃料電池國(guó)產(chǎn)化做出重要貢獻(xiàn)。
江蘇神州碳制品于1998年開(kāi)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(guó)第一家開(kāi)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(guò)二十多年的經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)、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(dòng)汽車設(shè)計(jì)
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(chǎng)規(guī)模同比在持續(xù)擴(kuò)大。
在燃料電池核心部件國(guó)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(guó)產(chǎn)石墨雙極板已經(jīng)擁有優(yōu)異的性能及廣泛的實(shí)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(yáng)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(jī)械強(qiáng)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(duì)電流和熱的傳導(dǎo)阻力。目前市場(chǎng)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(kāi)發(fā)用于PEMFC雙極板的材料，其優(yōu)勢(shì)是耐腐蝕性強(qiáng)，耐久性高，但不足的是制作周期長(zhǎng)，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(qiáng)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(guó)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(qiáng)度特性，未來(lái)將向低成本化方向發(fā)展。
目前國(guó)際市場(chǎng)上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強(qiáng)，美、英復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)石墨雙極板較成熟，個(gè)別廠商生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，如上海弘楓實(shí)業(yè)、上海弘竣、淄博聯(lián)強(qiáng)等企業(yè)。金屬和復(fù)合材料雙極板在我國(guó)研究較晚，技術(shù)仍有較大提升空間?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)金屬和復(fù)合材料雙極板的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)有武漢理工大學(xué)、愛(ài)德曼氫能源、新源動(dòng)力等。
雙極板流場(chǎng)
流場(chǎng)的基本功能是引導(dǎo)反應(yīng)氣流動(dòng)方向,確保反應(yīng)氣均勻分配到電極的各處,同時(shí)能及時(shí)排出電池運(yùn)行過(guò)程中的生成物?
常規(guī)流場(chǎng)形式主要包括:平行直流場(chǎng)?單通道蛇形流場(chǎng)?多通道蛇形流場(chǎng)?交指狀流場(chǎng)?網(wǎng)狀流場(chǎng)?點(diǎn)狀流場(chǎng)?螺旋流場(chǎng)等?但各種流場(chǎng)形式均有不足之處。
平行直流場(chǎng)可以通過(guò)改變溝與脊的寬度比和通道的長(zhǎng)度來(lái)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(diǎn)是,一個(gè)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(gè)阻塞死區(qū),導(dǎo)致氣體分配不均勻?優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單,流體阻力小?目前,很多電堆空氣側(cè)采用這種流場(chǎng),流體從歧管進(jìn)入并通過(guò)流場(chǎng)分配段過(guò)渡到平行溝槽流場(chǎng)內(nèi)，平行直流場(chǎng)如圖所示。
平行直流場(chǎng)
變截面直通道流場(chǎng)是平行直流場(chǎng)的一種改進(jìn)流場(chǎng),變截面直通道流場(chǎng)如下圖所示。由于流場(chǎng)截面的變化,氣體沿流道的速度和方向均會(huì)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(jì)流道內(nèi)部為起伏波浪形結(jié)構(gòu)的的流場(chǎng),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(chǎng)a)方形變截面流道b)波浪形變截面流道
蛇形流場(chǎng)分為單通道和多通道結(jié)構(gòu),蛇形流場(chǎng)如下圖所示?對(duì)于單通道蛇形流道，所有氣體在一根流道中流動(dòng),氣體流速很大,且流道長(zhǎng),造成壓損過(guò)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(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法使用? 為了避免上述單蛇流場(chǎng)的缺點(diǎn),多采用下圖b所示的多通道蛇形流道?多通道蛇形流場(chǎng)兼有直流場(chǎng)和單蛇流場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn),即使單根道堵塞,其他流道也會(huì)發(fā)揮作用,同時(shí)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(chǎng)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(diǎn)?但因其流道過(guò)長(zhǎng),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(chǎng)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(guò)改變溝與脊的寬度比?通道的數(shù)目和溝槽的總長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整反應(yīng)氣流動(dòng)的線速度,以排出液態(tài)水?其優(yōu)點(diǎn)是流體可以強(qiáng)制流經(jīng)流道,當(dāng)然這需要一定壓頭的空壓機(jī)作為保障;缺點(diǎn)是流體阻力較大,在流道的末端會(huì)產(chǎn)生極化損失?
交指狀流場(chǎng)交指狀流場(chǎng)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(guò)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(chǎng)配置可有效地將水從電極結(jié)構(gòu)中移走,防止淹沒(méi)并增強(qiáng)性能;缺點(diǎn)是阻力較大,且容易發(fā)生短路現(xiàn)象,目前實(shí)際較少采用?
交指狀流場(chǎng)
網(wǎng)狀流場(chǎng)網(wǎng)狀流場(chǎng)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(jì)靈活性更大?因?yàn)檫@種流場(chǎng)中的流體流速比較低,所以排水能力較差,不過(guò)其保濕能力相對(duì)較強(qiáng)?日本豐田公司在Mirai FCV上即采用網(wǎng)狀流場(chǎng)的設(shè)計(jì),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(chǎng)比較,該網(wǎng)狀流場(chǎng)提高了氧氣擴(kuò)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(chǎng)如圖2-26所示? 特點(diǎn):3D流場(chǎng)可使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量,從而強(qiáng)化流體傳質(zhì);但其要求空壓機(jī)的壓頭較高,以克服流體在流道內(nèi)的流動(dòng)阻力?可以采用減少流道長(zhǎng)度的途徑,減小阻力?
3D精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)
市場(chǎng)情況
2018年-2020年，國(guó)內(nèi)燃料電池雙極板的市場(chǎng)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(chǎng)呈現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模小、技術(shù)路線多樣、參與者類型多等特點(diǎn)。
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(zhǎng)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(guò)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(guó)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(chǎng)尚未成熟，目前主要依靠的還是國(guó)家的政策推動(dòng)。
國(guó)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(chǎng)需求擴(kuò)充產(chǎn)能，在8月底實(shí)現(xiàn)一期項(xiàng)目的投產(chǎn)；二期也已于年底完成初步驗(yàn)收。全年，華熔科技燃料電池石墨雙極板出貨量約50萬(wàn)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(wàn)片級(jí)石墨雙極板量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。隨著公司二期項(xiàng)目逐步實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)，其月產(chǎn)能有望達(dá)到15-20萬(wàn)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(xiàng)目中營(yíng)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(wàn)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(huì)與高工氫電年會(huì)同期盛大舉辦。青島杜科的模壓石墨復(fù)合板擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已授權(quán)發(fā)明專利。該產(chǎn)品采用自合成樹(shù)脂膠，和增強(qiáng)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(chǎng)和氣場(chǎng)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(shì)。
弘竣新能源
弘竣新能源成立于2010年，最早在2011年開(kāi)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(wàn)片。公司十年在技術(shù)上的持續(xù)積累以及強(qiáng)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(kāi)啟，弘竣新能源出貨量實(shí)現(xiàn)在80萬(wàn)片左右，同比實(shí)現(xiàn)40%的增長(zhǎng)，其中大客戶需求量穩(wěn)中增長(zhǎng)，小客戶數(shù)量也實(shí)現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。
產(chǎn)品層面，目前弘竣新能源第三代石墨雙極板是市場(chǎng)銷售主力，該產(chǎn)品通過(guò)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(chǎng)好評(píng)。為持續(xù)提升公司核心競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)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(zhǎng)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(xiàng)目、設(shè)計(jì)、程序、生產(chǎn)、檢測(cè)和售后服務(wù)，每個(gè)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(chǎng)。經(jīng)過(guò)近10深耕，嘉裕碳素創(chuàng)造性地開(kāi)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(wàn)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(guó)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(guó)內(nèi)首家專注氫燃料電池金屬雙極板研發(fā)及制造的國(guó)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(jì)、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(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到國(guó)際一流水平的金屬極板設(shè)計(jì)與制造能力。
截至目前，上海治臻累計(jì)開(kāi)發(fā)了7代具有自主知識(shí)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(shí)現(xiàn)了給國(guó)內(nèi)核心主機(jī)廠及電堆企業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)供貨，成為國(guó)產(chǎn)金屬板技術(shù)實(shí)力“擔(dān)當(dāng)”。2021年3月，上海治臻年產(chǎn)千萬(wàn)片級(jí)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(shí)標(biāo)志著我國(guó)氫燃料電池汽車行業(yè)由研發(fā)階段進(jìn)入規(guī)?；痉稇?yīng)用時(shí)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(shí)，還將金屬板燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)期壽命延長(zhǎng)至2萬(wàn)小時(shí)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(wàn)片大規(guī)模量產(chǎn)能力，為推動(dòng)燃料電池行業(yè)快速降本奠定基礎(chǔ)。
三佳機(jī)械
三佳機(jī)械于2005年在上海成立，2007年通過(guò)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(guó)內(nèi)最早涉足燃料電池金屬極板的企業(yè)之一。三佳機(jī)械經(jīng)過(guò)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(jī)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(cè)等雙極板生產(chǎn)設(shè)備，年產(chǎn)雙極板200萬(wàn)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(jī)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?；谀腹驹诰苤圃旆矫娴纳詈穹e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(jì)與匹配），所推出的金屬雙極板可以滿足超過(guò)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(wàn)副/年（后續(xù)產(chǎn)能逐步提升，預(yù)計(jì)在2023-2024年會(huì)達(dá)到600萬(wàn)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(cè)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(kāi)始涉足燃料電池雙極板領(lǐng)域，見(jiàn)證了中國(guó)氫燃電池行業(yè)發(fā)展壯大的過(guò)程。2004年上海弘楓團(tuán)隊(duì)曾參與國(guó)家863項(xiàng)目中“超越3號(hào)”中石墨雙極板的研發(fā)和生產(chǎn)；2008年奧運(yùn)會(huì)和2010年世博會(huì)上，上海弘楓是國(guó)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(wàn)片，同比增長(zhǎng)100%，其中海外業(yè)務(wù)占比80%，國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)占比20%，營(yíng)收實(shí)現(xiàn)1.2億元。上海弘楓是國(guó)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(wàn)片，累計(jì)出貨量已經(jīng)達(dá)500萬(wàn)片。
神州碳業(yè)
江蘇神州碳制品是國(guó)內(nèi)首家為中國(guó)燃料電池電堆實(shí)車測(cè)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(jì)大學(xué)“863”項(xiàng)目燃料電池石墨雙極板指定供應(yīng)商，是國(guó)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(guó)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(shí)機(jī)中為燃料電池國(guó)產(chǎn)化做出重要貢獻(xiàn)。
江蘇神州碳制品于1998年開(kāi)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(guó)第一家開(kāi)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(guò)二十多年的經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)、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(dòng)汽車設(shè)計(jì)
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