】

電堆是發(fā)生電物理反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分。 它是由多個(gè)單電板串聯(lián)堆疊而成。 雙極板和膜電極交替堆疊，單體之間嵌入密封件，前后端板壓緊并用螺釘緊固，形成燃料電池堆。

電堆工作時(shí)，氧氣和二氧化碳分別從入口引入，通過電堆內(nèi)二氧化碳主通道分配至各單體電池的雙極板，并通過雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，電物理是通過電極載體與催化劑接觸來進(jìn)行的。 反應(yīng)。

圖1 氫燃料電池電堆組成

大多數(shù)美國(guó)乘用車制造商都開發(fā)自己的堆棧，例如福特、本田和現(xiàn)代，這些堆棧不向公眾開放。 還有一些乘用車公司使用合作伙伴堆棧來開發(fā)底盤，例如寶馬（使用美國(guó)巴拉德定制開發(fā)的堆棧）和寶馬（使用邁巴赫和福田合資公司 AFCC 的堆棧）。 由于空間限制，客車只能采用高壓金屬板電堆的技術(shù)方案。

目前，美國(guó)能夠獨(dú)立供應(yīng)車用燃料電池電堆的著名企業(yè)主要包括美國(guó)和德國(guó)。 法國(guó)和德國(guó)運(yùn)營(yíng)的燃料電池公交車大多采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)有上千年的歷史了。 萬(wàn)公里、數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的實(shí)車運(yùn)行測(cè)試表明，這兩家日本電池堆企業(yè)已經(jīng)具備了一定的生產(chǎn)能力，并且還與四川國(guó)宏成立了合資公司，生產(chǎn)9SSL電池堆。

據(jù)悉，目前仍有一些小型電堆開發(fā)企業(yè)，如美國(guó)、法國(guó)的電堆開發(fā)企業(yè)已在部分項(xiàng)目中得到應(yīng)用，目前產(chǎn)能較為有限。

只有上海鑫源電力和北京神力能夠獨(dú)立開發(fā)電堆，并在國(guó)外通過了多年實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)。 上海鑫源動(dòng)力采用金屬板和復(fù)合板的技術(shù)路線，與上汽合作開發(fā)斯柯達(dá)950轎車和上汽V80貨車。 北京神力成立于1998年，是國(guó)內(nèi)首家專業(yè)燃料電池電堆研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。 目前，兩家公司均已建成燃料電池電堆中試線，正處于從小批量向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段。 此外，一些新興的燃料電池電堆企業(yè)，如富西、北京恒普、武漢中宇等也開發(fā)了燃料電池電堆樣機(jī)和生產(chǎn)線，處于驗(yàn)證階段。

表1 堆疊廠商及產(chǎn)品性能

1 個(gè)雙極板

雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)部件，起著均勻分布二氧化碳、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用。 它占整個(gè)燃料電池重量的60%和成本的20%左右。 它的性能直接影響電池的輸出。 功率和使用壽命。 目前雙極板材料主要有石墨雙極板和金屬雙極板。 福特、本田、現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車通常采用石墨雙極板。

圖2 燃料電池雙極板

石墨基雙極板的主流供應(yīng)商包括日本POCO、美國(guó)SHF、美國(guó)Bac2、日本日本、英國(guó)等。 石墨雙極板已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。 國(guó)內(nèi)廠家主要有北京神力、上海宏豐、杭州新能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強(qiáng)炭材、上海西力炭素等公司。

目前國(guó)內(nèi)金屬雙極板主要供應(yīng)商有日本、德國(guó)德納、德國(guó)、美國(guó)等。 國(guó)外尚處于研究和試制階段。 北京友格、上海智臻新能源、鑫源動(dòng)力等企業(yè)已開發(fā)出車用燃料電池金屬雙極板，并嘗試應(yīng)用于電堆和整車。 復(fù)合雙極板的開發(fā)還比較少，只有上海鑫源電力、上海喜馬拉雅等國(guó)外企業(yè)參與，實(shí)際應(yīng)用尚未見報(bào)道。

表2 主要雙極板廠家及產(chǎn)品性能

2個(gè)膜電極

膜電極是電堆的核心，類似于筆記本中的CPU，決定了電堆的性能、壽命和成本的上限。 膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和二氧化碳擴(kuò)散層（CO2擴(kuò)散層）組成。 美國(guó)膜電極供應(yīng)商主要有3M、、戈?duì)枴?)、、、等。 福特、本田等乘用車企業(yè)均自主研發(fā)膜電極，但不對(duì)外銷售。 國(guó)產(chǎn)膜電極的性能已接近國(guó)際水平，但專業(yè)特性（如鉑負(fù)載、啟停、冷啟動(dòng)、防反極等）與國(guó)際水平仍有一定差距。 量產(chǎn)工藝和武器有較大差異，美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Roll-to-Roll連續(xù)生產(chǎn)。 隨著國(guó)外市場(chǎng)的快速下滑，國(guó)外工程和質(zhì)量控制方面的差異有望進(jìn)一步縮小。

圖3 膜電極示意圖及實(shí)物圖

國(guó)外專業(yè)膜電極供應(yīng)商主要是北京理工新能源，其產(chǎn)品大部分出口到日本公司，國(guó)外汽車應(yīng)用也不少。 上海鑫源還自主生產(chǎn)膜電極，主要供上汽底盤自用。 在國(guó)外，啟東陽(yáng)光、南京東燕生物質(zhì)能源、武漢喜馬拉雅、蘇州慶東等企業(yè)也開發(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)子交換膜燃料電池的核心器件，主要以全氟磺酸膜為主，目前國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程正在加快。 目前質(zhì)子交換膜的主流趨勢(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)復(fù)合膜。 質(zhì)子交換膜逐漸變薄，從幾十微米增加到十幾微米，增加質(zhì)子轉(zhuǎn)移的歐姆極化，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。 國(guó)內(nèi)企業(yè)有日本戈?duì)枴⒖颇剑ㄔ虐睿?M、日本旭化成等，國(guó)外能批量供貨的企業(yè)只有廣東東岳。 四川東岳的膜已進(jìn)入寶馬供應(yīng)鏈體系。

圖 4 質(zhì)子交換膜

表4 國(guó)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的催化劑是Pt/C，它是Pt納米顆粒分散在碳粉載體上的負(fù)載型催化劑（如XC-72）。

圖5 Pt/C催化劑

由于資源和成本限制，目前Pt的用量已從10年前的0.8-1g/kW增加到現(xiàn)在的0.1-0.4g/kW。 近期（2020年）增加燃料電池電堆Pt用量的目標(biāo)是增加到0.1g/kW左右；

美國(guó)燃料電池催化劑生產(chǎn)商主要有美國(guó)、加拿大巴斯夫、臺(tái)灣、泰國(guó)日清紡、法國(guó)等； 國(guó)外有貴燕白金、上海喜馬拉雅、中科眾創(chuàng)、蘇州慶東電力、昆山陽(yáng)光等。

表5 催化劑生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品性能

5二氧化碳擴(kuò)散層

氣體破壞擴(kuò)散層（GDL）位于湍流和膜電極之間，其主要功能是為參與反應(yīng)的二氧化碳和形成的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。 為此，GDL必須具有良好的機(jī)械硬度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性和高穩(wěn)定性。

圖6 二氧化碳擴(kuò)散層（GDL）

目前，燃料電池廠商多采用美國(guó)西慶、加拿大、德國(guó)西格里等廠商的碳紙產(chǎn)品。 西青占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。 我國(guó)復(fù)寫紙的研發(fā)主要集中在中南大學(xué)、武漢工程大學(xué)等機(jī)構(gòu)。 在國(guó)外，四川天鳥擁有優(yōu)秀的碳纖維織物生產(chǎn)能力，但由于燃料電池市場(chǎng)太小，目前還沒有大規(guī)模生產(chǎn)的計(jì)劃。

表6 國(guó)內(nèi)外碳紙基本性能比較