雙極板又稱集電板，其作用是為二氧化碳提供流通通道，避免電池氣室中二氧化碳與氫氣串通，并在電池負極與正極之間建立電流通路。系列。 雙極板是燃料電池的重要部件之一，其重量約占電堆的80%，成本約占24%。

燃料電池的雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊構成電堆，在燃料電池中起著支撐、收集電壓和分配二氧化碳的重要作用。 近年來，隨著燃料電池汽車示范新政策的逐步加速，雙極板市場規模環比持續擴大。

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。 國產石墨雙極板已具備優異的性能和廣泛的實際應用。

雙極板原理

雙極板也稱為集電板，其作用是為二氧化碳提供流動通道，避免電池氣室中甲烷和二氧化碳的串通，并在電池負極和正極之間建立電流通路。系列。 雙極板是燃料電池的重要部件之一，其重量約占電堆的80%，成本約占24%。

在保持一定的機械硬度和良好的阻氣效果的前提下，雙極板的長度應盡可能薄，以降低對電壓和熱量的傳導阻力。 目前，市場上氫燃料電池雙極板材料主要有石墨、金屬和復合材料三種。

石墨材料是最早開發用于雙極板的材料。 其優點是耐腐蝕性強、耐用度高，但缺點是生產周期長、抗壓性能差、成本高。 目前廣泛應用于專用車和卡車。

金屬雙極板硬度高、韌性好，但具有良好的導電性、導熱性和較高的功率密度。 它們可以很容易地加工成非常薄的雙極板（0.1-0.3mm）。 主要應用于乘用車，如福特采用金屬雙極板，其燃料電池模塊功率密度達到3.1kW/L； 美國新一代-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度甚至達到5kW/L。

復合雙極板兼顧了石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高硬度，未來將向低成本方向發展。

目前國際市場上，歐美、俄羅斯的石墨、金屬雙極板總體實力較強，美國、英國的復合材料雙極板處于世界先進水平。 國外石墨雙極板已經比較成熟，一些廠家生產的石墨雙極板部分性能已達到國際先進水平，如北京宏豐實業、上海宏駿、淄博聯強等企業。 我國金屬及復合材料雙極板研究較晚，技術上仍有很大提升空間。 現階段國外金屬及復合雙極板相關研究機構和企業包括北京理工大學、愛德曼氫能、鑫源電力等。

雙極板湍流

湍流的基本作用是引導反應氣體的流動方向，保證反應氣體均勻分布到電極的各個部位，同時及時排出電池運行過程中的產物。

常規湍流模式主要有：并聯直流場、單通道蛇形湍流、多通道蛇形湍流、叉指式湍流、網狀湍流、條狀湍流、螺旋湍流等。 flow 這兩種流方法都有其缺點。

平行直流場可以通過改變槽與脊的長度比以及通道的寬度來改變流經槽的反應氣體的線速度，從而排出液態水。 平行流道的缺點是一個流道中的障礙物會導致剩余流道中的流體重新分布，為此存在阻塞死區，導致二氧化碳分布不均勻。 優點是加工簡單、流體阻力小。 目前，許多煙囪空氣側都采用這些紊流，流體從歧管進入并經過紊流分配段，過渡為平行槽內的紊流，并聯直流場如圖所示。

并聯直流場

變截面直通道內的湍流是平行直流場中湍流的改進，變截面直通道內的湍流如右圖所示。 由于湍流截面的變化，二氧化碳沿流道的速度和方向都會發生變化，可以有效地促進傳熱。 右圖a是圓形變截面流道。 通道槽的底部和頂部不平行，產生一定的傾斜角度。 仿真分析表明，與平行流道相比，這些變截面流道有利于降低電壓密度和最大功率密度。 右圖b中的流道內部設計為具有起伏波浪結構的紊流。 仿真分析表明，周期性變化的波結構可以提高反應二氧化碳的流量和催化劑的效率，并在高電壓密度下增加傳熱極。 改變。

變截面直通道內的湍流 a) 圓形變截面流道 b) 波形變截面流道

蛇形紊流分為單通道和多通道結構，蛇形紊流如右圖所示。 對于單通道蛇形流道，所有的二氧化碳都在一個流道中流動，二氧化碳的流速很高，流道很長。 壓力損失過大，雖然不利于反應水的脫除，但也不利于電壓密度的均勻性和催化劑的使用。 而一旦單個流道被堵塞，將直接導致電池難以使用。 為了防止上述單蛇形湍流的缺點，多采用右圖b所示的多道蛇形流道。 多通道蛇形湍流兼有直流場和單蛇形湍流的優點。 雖然單個通道被堵塞，但其他流通通道也會發揮作用。 同時同一活性區域采用多通道，有利于減少流道拐點，有效降低壓力損失，保證電池的均勻性。 二氧化碳排放的特點。 但由于流道過長，二氧化碳的壓力損失較大，二氧化碳進出口壓差較大，不利于催化劑的使用和電壓密度的均勻性。

蛇形湍流 a) 單通道蛇形流道 b) 多通道蛇形流道

蛇形流道是連續的，通過改變槽與脊的長度比、通道數和槽的總寬度來調節反應氣流的線速度，以排出液態水。 優點是可以強制流體流過流道，其實這需要有一定壓頭的空壓機作為保證； 缺點是流體阻力較大，在流道末端會形成極化損耗。

叉指式湍流從板片入口到板片出口的流道一般是不連續的，流道是死胡同，促使反應物在壓力作用下穿過微孔反應物層，到達與板片相連的流道上。歧管裝置。 交叉梳狀湍流配置可有效去除電極結構中的水分，避免吞沒并提高性能； 缺點是電阻比較大，容易漏電，目前實際使用較少。

叉指型湍流

網狀湍流 網狀湍流一般是在流體入口和出口之間有規律地排列障礙物，使流體繞著障礙物之間的孔隙流動。 這些設計更加靈活。 由于這些湍流中的流體速度較低，因此排水能力較差，但其補水能力較強。 FCV采用網格紊流設計，利用3D精細網格生成空氣和水循環通道。 與平行槽湍流相比，網絡湍流提高了二氧化碳擴散到催化層的能力，增加了傳熱極化。 3D細網格湍流如圖2-26所示。 特點： 3D紊流可以使流體與催化層形成垂直，從而增強流體的傳熱； 但需要空氣壓縮機有較高的壓頭來克服流道內流體的流動阻力。 可以采用減小流道寬度的方法來減小阻力。

3D 細網格湍流

市場展望

2018-2020年，國外燃料電池雙極板市場規模分別為2.5萬元、2.85萬元、3.1萬元，呈現逐年增長的狀態。 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。

雙極板具有分離活性二氧化碳、收集電壓、提供活性二氧化碳通道的功能。 雙極板的質量直接決定電堆的輸出功率和使用壽命。 在氫燃料電池汽車的成本構成中，氫燃料電池系統在整車中占比高達60%； 堆棧在系統中的成本占比超過50%； 電堆中雙極板的成本僅次于膜電極。

電堆成本高的主要原因一方面是國外核心零部件不成熟，只能依賴進口，另一方面是市場還不成熟。 目前主要還是依靠國家的新政策。

國外雙極板研發生產企業

華融科技

華融科技是與中國和深圳合資成立的公司，主要從事燃料電池用石墨雙極板的研發和生產。 2021年，公司將根據市場需求擴大產能，一期項目將于8月底投產； 二期也已于月底完成前期檢查。 全年華融科技燃料電池用石墨雙極板（含水冷雙極板）出貨量約50萬套，環比增長300%。

華融科技目前擁有數百萬片石墨雙極板的量產經驗。 隨著公司二期項目逐步投產，預計月產能將達到15萬-20萬套。 華融科技燃料電池石墨雙極板已成為公司各石墨產品項目中凈利潤第二大的經營藍籌股。

上海公爵

上海杜克由漢和、杜克新材料三方共同組建，主要從事薄型復合石墨雙極板組件的生產和銷售。 截至目前，上海杜克已形成年產100萬套薄型復合石墨雙極板組件的生產能力。 石墨雙極板生產線。

12月13日，上海杜克模壓復合石墨板新品發布會在高工氫電年會同期隆重舉行。 上海杜克模壓石墨復合板擁有自主知識產權，并擁有授權發明專利。 該產品采用自合成樹脂膠，與增強材料和石墨蠕蟲混合，滾壓形成預成型板，采用快速冷壓成型成型工藝，開發出水場、空氣場粘接和粘接的配套粘接解決方案。密封。 控制力和成本可控的優點。

鴻駿新能源

鴻駿新能源成立于2010年，早在2011年就開始將石墨雙極板產品應用于燃料電池汽車，現擁有湖南南潯和山東濰坊兩大生產基地，年產能200萬片。 公司六年不斷的技術積累和強大的供貨能力，使鴻駿新能源在行業內擁有非常廣泛的客戶群。 2021年示范新政推出，鴻駿新能源出貨量在80萬片左右，環比下降40%。 其中，大客戶需求穩步下降，小客戶數量也明顯減少。

在產品層面，鴻駿新能源的第三代石墨雙極板是目前市場的主力軍。 該產品通過浸漬工藝將石墨板的孔隙率降低95%以上，但其薄度會大幅增加電堆的體積和重量。 ，深受市場好評。 為不斷提高公司核心競爭力，鴻駿新能源正在研發第四代石墨雙極板，目前已進入小批量驗證階段。 新一代石墨雙極板在材質和性能上更優、更穩定，氣密性≤0.0，單面凹槽長度可達0.5mm，凹槽深度0.2mm。

嘉宇炭素

嘉宇炭素成立于2008年，是華北地區最早從事石墨銷售、加工的配套廠家之一。 由于常年從事石墨制品的生產制造，公司擁有一批高級工程師。 從立項、設計、方案、生產、測試??、售后服務，每個環節都配備了高水平的專業人才。 業內有說法稱，嘉宇炭素在踏入石墨雙極板領域之初，就“站在了巨人的脖子上”。 2013年，公司憑借在石墨精加工領域的深厚背景，進軍石墨雙極板市場。 經過近10年的精耕細作，嘉宇炭素創造性地開發出了薄型超細石墨雙極板，并將產能提高到年產80萬-120萬片。

嘉宇炭素目前生產的石墨雙極板，一側溝槽寬度為0.5mm，兩側寬度為0.8mm。 單組石墨雙極板的寬度要求為1.5mm。

廣州至臻

廣州智臻成立于2016年，是國外首家專注于氫燃料電池金屬雙極板研發和制造的國家高新技術企業。 公司核心技術來自廣州交通大學。 經過16年的潛心研究和創新，在板材構型設計、超薄板精密成型與高速激光點焊、高性能復合納米涂層、一體化密封等方面擁有完全自主知識產權。 關鍵核心技術達到世界一流水平的金屬板材設計和制造能力。

截至目前，廣州智臻已累計研發出7代具有自主知識產權的金屬雙極板，掌握了“全工藝鏈集成”的關鍵自主核心技術，并實現了國外核心主機的規?；慨a工廠和堆棧企業供應，成為國內金屬板材技術實力的“責任”。 2021年3月，廣州智臻年產數千萬片金屬板生產線在南通市投產。 這是目前全球最大的金屬板生產線，標志著我國氫燃料電池汽車產業從研發階段過渡。 進入大規模示范應用期。

2021年，北京智臻還推出了新型碳涂層金屬板產品。 極板成本增加40%-50%的同時，也將金屬極板燃料電池底盤的預期壽命延長至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，可以有效提高極板的壽命并降低成本。 為降低成本奠定基礎。

三佳機械

三佳機械2005年成立于廣州，2007年與北京航天動力研究院（811研究所）合作開發氫燃料電池鈦合金單極板，成為國外最早涉足氫燃料電池鈦合金單極板的企業之一。燃料電池的金屬板。 經過不斷的技術迭代，三佳機械已成功交付80余種不同流道形狀的金屬雙極板。 材質主要為鈦合金等，材質長度為0.075-0.1mm。 最大可達0.45，物料流道深度達到0.5±0.01，流道周期1.0/1.1/1.25/1.4/1.6/1.8/2.0mm，流道間均勻度≤±0.01 mm，流道高度均勻度≤±0.，雙極板翹曲<2mm。

三佳機械目前擁有廠房面積7000平方米，擁有高精度注塑、激光點焊、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； 高精度高速加工中心、線切割、電火花、磨床等磨料加工設備，年產雙極板磨具50臺套； 還擁有五軸加工中心、臥式加工中心、立式加工中心、鉆、銑、攻絲中心等機械加工設備，用于電堆殼體、端板、集電板等零部件的加工。

博源新能源

博源新能源，全稱“博源（廣東）”，母公司是軸承行業龍頭企業浙江金地精密。 依托母公司深厚的精密制造背景，博源新能源成立僅一年時間，就能夠為客戶提供多元化的燃料電池極板解決方案（包括設計和匹配）。 其推出的金屬雙極板可以滿足10萬次以上的高功率堆疊要求。

博源新能源金屬雙極板采用的涂層為非貴金屬涂層，可有效降低生產成本； 該產品還具有接觸內阻低、耐腐蝕性強等優點。 技術指標遠遠超過DOE要求的水平，耐用性可達-。

目前公司已組裝金屬雙極板批量生產線，一期產能為每年60萬至100萬對（后續產能將逐步增加，預計達到600萬對） 2023-2024年年產量），擁有高精度注塑、激光點焊、表面涂裝、注塑密封、氣密性檢測等雙極板生產設備。

廣州宏豐

廣州宏豐成立于1996年，專注于石墨相關產品的研發和生產。 2003年，公司開始進軍燃料電池雙極板領域，見證了中國氫燃料電池行業的發展壯大。 2004年，北京宏豐團隊參與國家863項目“超越三號”石墨雙極板的研制和生產； 2008年冬奧會和2010年世博會上，北京宏豐是國家氫燃料電池示范車唯一的石墨雙極板供應商。

2021年，北京宏豐石墨雙極板出貨量將達到200萬片，環比下降100%，其中海外業務占比80%，國外業務占比20%，產值達到1.2萬元。 北京宏豐是國外最大的燃料電池極板制造商之一，年產能400萬片，累計出貨量500萬片。

神舟碳業

山東神舟碳素是國內首家安裝石墨雙極板用于燃料電池電堆實車測試的國外制造商。 早在2001年就參與復旦大學“863”項目燃料電池石墨雙極板指定供應商，是國外石墨雙極板龍頭企業。 作為專業生產石墨雙極板的企業，神州炭素不僅是國外第一家研發生產燃料電池雙極板的企業，而且在生物質能源逐漸成為燃料電池的大背景下，為燃料電池國產化做出了重要貢獻。趨勢。

山東神舟炭素制品有限公司于1998年開始研發和生產氫燃料電池石墨雙極板，是國內第一家開始研發和生產氫燃料電池石墨雙極板的企業。 經過20多年的經驗積累和沉淀，中炭生產的石墨雙極板具有優異的導電導熱性能、耐腐蝕性強、阻氣性能穩定持久、長度超薄、加工性能好等特點。

參考文章：燃料電池電動汽車設計