【干货】双极板：燃料电池电堆的“骨架”
氢燃料电池的工作方式是通过化学反应产生电能来推动汽车，而内燃机车则是通过燃烧产生热能来推动汽车。使用氢燃料电池，汽车的工作过程不涉及燃烧， 因此无机械损耗及腐蚀，氢燃料电池所产生的电能可以直接被用在推动汽车的四轮上，从而省略了机械传动装置。氢燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率为 60% ～80%，污染少、噪声小，装置可大可小，灵活高效。
电堆是氢燃料电池的核心部件，是氢气与氧气发生化学反应产生电能的场所。电堆由膜电极和双极板两大部分组成， 膜电极的构成包括催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸。
全球范围内氢燃料电池电堆技术领先的企业是日本的丰田和本田两家公司，生产的电堆峰值功率在 110kW左右，电堆比功率为3.1kW/L，乘用车用电堆寿命为5000h，商用车用电堆寿命为10000h，最高效率在 65%以上。目前国内氢燃料电池电堆类型有石墨板电堆、复合板电堆、金属板电堆，电堆供应商主要有捷氢、新源动力等，其中捷氢于2020年8月发布的燃料电池金属板电堆，功率密度达到 3.8kW/L，双极板和膜电极均已实现 100%自主化与国产化，可在-30℃低温环境下实现30s无辅热自启动，完成6000h实车工况的耐久性测试。
2020 年我国车用燃料电池电堆出货量为320MW，同比增长77.8%。2021年车用燃料电池电堆预计出货量有421MW，预计到2022年，我国车用燃料电池电堆出货量将达到 506MW。
近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面。
双极板：燃料电池电堆的“骨架”
双极板作为质子交换膜燃料电池的核心部件，隔离了单个燃料电池又将其串联起来，通过流道输送阴极（H2）和阳极（O2或空气）的反应气，完成散热和排水等功 能，其质量约占电池堆的80% ，成本约占38% ，几乎占据了燃料电池堆的所有体积。双极板的主要作用有：
把反应物通过机加工的通道送到膜电极组；
将反应物扩散到电极表面；
收集电化学反应产生的电流；
图 双极板常见的制造技术。
图源INT J HYDROGEN ENERG.2011 (36) 12512根据材料不同，燃料电池双极板可分为石墨电极板、金属板和复合板，其中石墨双极板因为具有导热性、导电性、稳定性、耐腐蚀性等优点，是目前应用最多的双极板，市场占比高达66%左右，但金属双极板具有成本低、高强度、韧性好等优点，近几年市场需求持续增长，市场占比达到36%。
（1）石墨材料
石墨材料是最早开发用于质子交换膜燃料电池双极板的材料，其优势是耐腐蚀性强，耐久性高，但不足的是制作周期长，抗压性差，成本高，目前广泛应用于专用车与客车。
石墨是热和电的良导体，耐腐蚀，密度较低。目前主要有人造石墨和柔性石墨用于燃料电池领域。人造石墨机加工制造BPP设计灵活、迭代周期短，但存在一定不足。
石墨化的温度通常高于2500℃，需按严格的升温程序进行，以避免石墨板基材收缩和弯曲等变形。在此基础上机加工对机械的精度要求较高，双极板流场的结构越细密，结构越复杂，切削加工周期越长，工艺成本占比高。
人造石墨具有脆性，实体厚度一般需要大于0.3mm，这一点限制了相应电堆体积功率密度的提升。大流道面积的薄人造石墨零件对运输、装配工艺要求较高。
人造石墨成型后是多孔材料，应用中需要封闭孔结构，封闭孔材料的水热稳定性、封闭孔材料和石墨的结合强度、封闭孔的工艺对人造石墨的气密耐久性有重要影响。
柔性石墨基材可以模压成型、柔韧性好，一定程度规避了人造石墨基材的不足，有助于降低批量生产成本。但柔性石墨来自膨胀石墨，膨胀石墨是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。柔性石墨中金属和非金属杂原子杂质含量高于人造石墨，需要提纯大幅降低杂质含量。类似于人造石墨，封闭孔材料的水热稳定性、封闭孔材料和石墨的结合强度、封闭孔的工艺对柔性石墨的力学耐久性有重要影响。
（2）复合材料
复合材料双极板包括高分子复合双极板、金属基复合双极板以及碳基复合双极板等。
高分子复合物的密度小，通过不同的加工工艺能被浇铸成复杂形状。但树脂类材料导电性能较差，用于双极板制造需要添加导电物质，可以选用石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。根据结构不同，复合材料双极板可分为金属基和碳基两种。
金属基复合双极板是采用薄金属板或其他高强度的导电板作为基板，膜电极组件边缘与基板之间采用胶黏结，以焙烧和注塑法制备的石墨板、有孔薄炭板或石墨油毡作流场板。金属基复合双极板结合了石墨和金属的优点，具有质量轻、强度高、耐腐蚀性和厚度小等特点，但它的缺点是多层结构，工艺复杂造成加工工艺成本偏高。
碳基复合双极板以碳材料为基体，树脂为粘结剂。将两者混合放置于模具中，通过熔融、挤压、模压或注塑等工艺制备。碳基复合双极板具有碳材料的耐腐蚀性，优异的导电性和导热性，可以一次成型，降低了生产成本，适合大规模生产，但零件制造不仅需要平衡材料体电阻、接触电阻、气密性、力学性能多者的关系，而且面临大面积流场高精度制作和高平面度要求等实际问题。
由于复合材料双极板的可设计性强，可通过调节树脂、导电填料及增强材料的配比来制备满足使用需求的双极板。同时其制备方法较为成熟，可通过模压或注射成型工艺进行商业化大批量生产，降低了双极板的制造成本，是复合材料双极板技术发展的重要趋势。
（3）金属材料
金属材料具有机械强度高、体相电导和热导优良，容易制成薄板并冲压加工成型的特点，满足燃料电池对高体积比功率双极板的诸多要求，但是其大规模应用还需要实现大面积流场冲压制作高精度流道、材料表面能在燃料电池操作条件下具有高耐腐蚀能力和低界面接触电阻。
金属双极板强度高、韧性好，而且导电、导热性能好，功率密度更大，可以方便的加工制成很薄的PEMFC双极板（0.1~0.3mm），主要应用于乘用车，如丰田Mirai采用的就是金属双极板，其燃料电池模块功率密度达到3.1kW/L；英国Intelligent Energy新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度更是达到了5kW/L。国内比如上汽捷氢、新源动力采用的也是金属双极板。
双极板作为燃料电池的骨与血，起着至关重要的作用。
双极板市场：近年来逐步扩大
受政策支持，我国新能源汽车行业快速发展，产销量持续攀升，其中混合动力汽车和纯电动汽车销量较高，燃料电池汽车产销较低。在2021年上半年燃料电池汽车产销分别为632量和479量，同比增长了43.6%和5.7%。随着燃料电池汽车产销恢复增长，燃料电池双极板应用需求攀升，行业发展前景较好。近年，随着燃料电池汽车示范政策逐步推进，双极板的市场规模同比在持续扩大。
根据新思界产业研究中心，双极板市场规模呈现逐年上升趋势。2018年中国氢燃料电池双极板市场规模为2.5亿元，2019年中国氢燃料电池双极板市场规模为2.85亿元，2020年在政策鼓励和技术提升的双重利好下，大功率燃料电池在重卡等领域实现商业化，在自卸车、牵引车、厢式货车等领域得到应用，进而带动燃料电池双极板需求攀升，在2020年中国燃料电池双极板市场规模约为3.4亿元，同比增长了8.8%。
2021年期间，国内主流双极板企业的出货量都有非常大的增长，金属双极板领域已经出现了单个企业单个客户出货达百万片级别的现象；石墨板市场各家出货也均有较大增长，根据GGII数据，表现明显的是原万片级出货企业的出货量级达到10万片以上，头部企业的出货更是达到了50万片/年以上。2021年，这一数据会再创新高。
我国燃料电池双极板生产企业集中在华东、华南、华北、华中、东北等地区，其中华东地区相关企业最多。在市场竞争方面，目前燃料电池双极板市场内企业众多，国外企业有美国的P0CO、treadstone、ORNL、Dana，日本的本田、Fujikura Rubber LTD，英国的Bac2公司、Porvair等企业。我国也有众多企业布局在双极板领域，代表性企业有上海弘枫、上海弘竣、浙江华熔、江苏耀扬、神奇电碳、国鸿氢能、嘉裕碳素、新研氢能、治臻新能源、北京明天氢能、氢璞创能等企业，市场竞争较为激烈。
随着国家政策对于新能源汽车产业发展的支持，我国新能源汽车出货量持续攀升，未来随着燃料电池汽车生产技术的改进，产销量增长，将推动燃料电池双极板行业快速发展。
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审核：李虹 编辑：戴欣馨联系邮箱：daixinxin@acmi.org.cn
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