新研氢能CTO齐志刚：未来燃料电池金属板电堆占比会逐渐提升
文章来源：全球氢能，该内容为全球氢能现场速记，未与嘉宾本人进行确认，仅供参考
“未来，燃料电池电堆的一个发展趋势就是金属板电堆的占比会逐渐的提升，电堆的功率越来越大，或者是需求越来越大，那么电堆的功率密度的需求也越来越高，一板多室极板的结构被尝试，一体化单堆电堆已经被应用，而且一体化单电池也将开始被尝试。”新研氢能源科技有限公司CTO齐志刚表示。
新研氢能源科技有限公司CTO齐志刚分享《氢燃料电池堆的应用及发展探索》
4月18日-19日，由中国石油和化学工业联合会中小企业工作委员会指导、北京国化新材料技术研究院主办，ACMI氟材料发展中心、北京氟硅科技发展有限公司、ACMI储能材料研究所、ACMI氢能研究所、国元新能源科技发展（武汉）有限公司承办，常州市星干干燥设备有限公司协办的“新能源电池关键材料高峰论坛 || 2024第三届氢燃料电池产业链研讨会&2024锂电池正负极材料创新发展论坛暨钠电材料技术研讨会”在浙江杭州隆重召开。
会上，新研氢能源科技有限公司（简称“新研氢能”）CTO齐志刚发表了《氢燃料电池堆的应用及发展探索》的主题演讲，该报告对氢燃料电池电堆的构造、性能和寿命进行了深度剖析，对燃料电池堆的应用现状和发展方向进行了探索和展望。[相关阅读：会议速递 | 新研氢能CTO齐志刚分享《氢燃料电池堆的应用及发展探索》]
四个角度概述燃料电池电堆发展趋势
燃料电池应用范围非常广，从海底到外太空、从小于瓦级到兆瓦级都有应用。因其零污染、高效率、燃料加注快、续航里程长、噪音较小、高度智能化等多项优势，燃料电池在车用领域的应用备受关注。
根据电解质来分，燃料电池总共分5类，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池。根据介绍，当前全球研发力度最大、成熟度最高的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
在燃料电池中，电堆是发生电化学反应的场所，是氢燃料电池系统的核心部件，维系着整个燃料电池系统的能量输出过程。会上，齐总对于电堆的结构、种类、功能及其应用展开了详细的介绍，并对质子交换膜燃料电池电堆（PEM电堆）的发展现状进行了详细的总结——
设计水平、工艺技术和制造能力有长足进步。近年来我国PEM电堆设计水平、工艺技术和制造能力进步非常快，因为燃料电池的市场还没有打开，当前产能是严重过剩的；
关键材料与核心部件基本实现国产化。现在唯一没有实现国产化，或者说被批量使用起来的是质子交换膜、催化剂和碳纸，但是都有很多企业在研究，而且也有另外很多企业在使用，只是现在还没有数量超过国外进口产品；
一些性能指标达到国际先进水平，比方说电堆的功率和功率密度；
寿命显著提高，有若干家的报道寿命超过1万小时，还有0.8~4万小时，但是实际数据不多；
成本大幅下降，平均每年下降约20%；
单堆功率超300kW，金属板电堆堆芯体积功率密度超6kW/L；
膜电极功率密度达到1.3W/cm2@0.65V；
金属双极板厚度≤1.0mm，模压/雕刻石墨双极板厚度≤1.5/2.0mm；
国内示范运营主要集中在商用车领域，但固定式发电也开始有了一定的热度。
此外，当前我国主要是把示范运营集中在车用领域，而且只有在车用领域才有一定的补贴，在其他领域是没有补贴的，因为燃料电池现在还没有批量和生产，所以其成本比较高，所以在没有补贴的领域推广起来的难度会更大。
新研氢能源科技有限公司CTO齐志刚分享《氢燃料电池堆的应用及发展探索》
随着氢车示范的不断进行，燃料电池产业也正在不断向上发展。齐总表示，未来PEM电堆发展趋势包含以下几个方面——
金属板电堆占比逐年提升
单堆功率越来越大
电堆的功率密度越来越高
一板多室极板结构被尝试
一体化单堆已经被应用
一体化单电池开始被尝试
齐总主要从金属板电堆、多室极板、一体化多段电堆、一体化单电池四个方向对此展开详细的阐述。
No.1
金属板电堆占比逐年提升
根据ACMI氢能研究所不完全统计，2023年中国氢燃料电池电堆上险装机量为931.2MW，同比增长51.24%；单车平均电堆装机121.69kW，与2022年单车平均电堆装机（122.94kW）基本持平。从装机电堆不同技术路线来看，2023年上险的燃料电池汽车中，金属堆装机量381.79MW，占比41%；石墨堆装机量502.85MW，占比54%；复合堆装机量46.56MW占比5%，近年来金属堆的占比增高，2022年金属堆装机量一度超过石墨堆装机量。
那么，为什么近年来行业对金属板电堆兴趣愈发浓厚？齐总对此作了详细的解释，他表示：“原来都是石墨板，现在做金属板的一般用0.1mm不锈钢或者钛基材，比方说你如果流道的深度冲出来是0.4mm，那么阴极板阳极板合在一起以后，加上流道的深度，你就发现它大概是在1mm之内，但是如果用石墨进行雕刻得到同样的流场结构，它的厚度至少是2mm，换句话石墨的冲击板要比金属板要厚一倍。从重量来讲，虽然石墨比不锈钢要轻很多，但是因为它板材用的材料比较多，那么它的重量比较大概是1.65倍。同时还有一个热容比，石墨板电堆相比于不锈钢板电堆热容比为2.34倍，热容比是很重要的一个参数，因为热熔越高，在零下启动的时候，同样的热量使电堆升温的温度的度数越低越难冷启动，所以热容高并不是件好事情。反之如果用的不是不锈钢，而是钛合金的话，那么这几个参数的石墨板跟钛合金的比例差别就更大了。”
据介绍，金属板电堆优势显著，易于做到更大的功率更大的功率以及更大的功率密度，同时抗振能力强、结构稳定、气密性好，可以实现更低温度的无助冷启动，热容比较低，易于批量生产，满足车规级要求，成本也更具有竞争力，有助于减小燃料电池系统的体积和重量。
当前，金属板发展面临的主要的挑战之一就是如何解决金属镀层的抗腐蚀性能。“其实现在国内外已经研究了很多年，镀层的抗腐蚀性能已经非常好了，但是比如说几万个小时的运行时间可能还有区别，那么现在的镀层材料主要有三类，一个是贵金属像金或者铂，另外一个就是金属化合物，再有一种就是碳的材料，咱们国家用的是碳的材料比较多，另外抗腐蚀性跟导电性，它俩有时候互相矛盾的，你要提高它的导电性，抗腐蚀性可能就会受到一定的影响，所以一定要进行综合性的考虑。”齐总表示。
新研氢能源科技有限公司CTO齐志刚分享《氢燃料电池堆的应用及发展探索》
No.2
多室极板结构被尝试
多室极板方案的出现主要是与电堆功率提升有关。
近年来，电堆做的功率越来越大，行业对单堆功率的追求乐此不彼，而一个电堆中单电池的片数一般不超过400片，否则流体在共用腔室中的压力降过大，单电池之间的均一性变差，边缘效应更加显著，为了满足大幅面极板的需求，解决方案一般采用更大的极板面积，但过长的流道会导致流体压力降过大，会对燃料电池的性能产生影响，由此多室极板结构出现。
多室极板结构是在一片极板上设置多个常规尺寸的反应区，反应区之间通过极板实现电并联，同时，一片极板上腔室的数量可按需选择，但是须为偶数。
“多室极板为大功率单堆需求提供了一个解决方案。”齐总表示：“一块板给分成多个区，这样是每一个反应区的大小，就是一个常规的燃料电池极板的大小，比方说活性区是300cm2左右，通过这种分区，理论上来讲可以无限的分析出这些区域，一块极板发出来的电会增加非常多。不过也有很多问题需要考虑，比如膜电极，现在膜电极做出超过几百平方厘米是较困难的，若按一对相关反应区情况进行设计，没有大幅提高膜电极的加工制造难度，但是最大的挑战还是多室极板的加工制造难度增加，不管是雕刻还是冲压，同时满足幅面大与平整度好等条件还是很难的，那么其中一种方案可能也是制作按两个区（一对）进行设计处理，可能也会降低成本，制作的难度相对低一些。”
No.3
一体化多段电堆应用
一堆多段结构为大功率单堆需求提供了一个解决方案，得益于极板和膜电极均是常规尺寸，制造过程中不增加加工难度和费用，同时一板多室与一堆多段的组合可以制造更大功率的电堆。
由于压力降和均一性的要求，一个常规电堆中极板的面积和单电池的数量都受到限制，电堆的功率也因此受到限制。串并联小电堆是个解决方案，但面临成本增加和电堆与电堆间性能差异不好控制的问题，通过中间端板进出流体的方式可以形成一堆多段的电堆结构同样可以增加电堆的功率。
“一个电堆不能超过400片，如何利用现有极板做到800片甚至更多？可以改变电堆结构，比如把电堆中间装一块短板，实现两边每一边400片的可能，这样单边电堆可类似常规电堆，通过这种方式理论上可实现无限制扩展，无非是多少段的问题。”齐总解释道：“这里最大的优点之一是膜电极跟极板不需要重新设计，不需要花两年时间开发出新的极板，可用现在的极板满足市场突然出现的对大功率电堆的需求，比如我们公司做的一个结构，本来极板是为115kW电堆设计，但是突然有大功率的需求，那么我们就通过这种方式增加了一个电堆的功率，所以这是一个比较好的方法。”
No.4
一体化单电池的尝试
一体化的单电池是常规电堆里的结构，该设计将膜电极密封在阳极板和阴极板之间，三者之间的密封通过注胶或使用胶膜热压实现，而单电池之间是通过水腔接触。据介绍，丰田最早报道了这种方式，不过当前国内一些企业已经开始尝试这种方式。
一体化的单电池设计有以下特点——
单电池间的均一性较好，便于电堆组装，尤其是大幅面膜电极和极板的情况；
便于单电池的更换，某一个电池出了问题很容易更换掉；
阴极板/膜电极/阳极板一体化密封有一定的技术和工艺挑战，需要很多的探索工作。
不过，齐总补充表示，目前难以断定该结构是否能完胜常规的双极板+膜电极方式，国内已有单位在尝试，预计这两种方式短期内会是并存发展。
新研氢能：燃料电池行业发展新标杆
新研氢能源科技有限公司（简称“新研氢能”）是一家致力于氢能源技术革新与应用的科技创新企业，现代化的氢燃料电池提供商。公司成立于2017年，总部设在北京，聚焦新能源材料、氢能、燃料电池和储能技术的开发和应用，核心产品包括金属双极板、燃料电池电堆、模块及燃料电池发动机系统、燃料电池相关测试设备等，覆盖汽车、无人机、船舶、单兵电源和备用电源等多领域。
据了解，在布局规划方面，当前，新研氢能在北京、大连、大同和成都均设有子公司，其中——
北京公司专注于超薄金属极板及其小功率空冷和大功率液冷燃料电池堆的设计和开发；
大连公司具备氢燃料电池系统集成及测试装备的研发、生产能力，可向市场用户批量提供丰富且可靠的产品；
大同公司主要研发和生产金属板燃料电池电堆、系统、测试台和部分关键辅助部件；位于大同的自主研发的金属板电堆自动化产线已于2020年6月投产，已具备年产1000套百千瓦级金属板电堆的产能。
成都公司是燃料电池系统和其他关键辅助部件的批量生产基地，具备年产1000台套的能力，现已作为联合体牵头企业获批承担成都市经信局发布的“示范应用联合体”8-12米燃料电池公交车示范应用项目。
图源新研氢能
经过七个春秋的历炼，新研氢能已跃身国内燃料电池第一梯队。获得发明专利67项，新研氢能核心产品包括多款金属极板、25kW~150kW单堆模块、240kW双堆模块、最高达300kW的电堆/系统测试台及20kW电解槽测试台，可应用于汽车、叉车、船舶、无人机、便携式电源、备用电源和分布式发电等多领域。具体地，在产品研发方面，新研氢能硕果累累——
目前新研氢能的金属极板完成了第四代开发，并完成第六代极板C板型在石墨堆中的验证；
电堆方面完成了25kW-200kW单堆开发；
系统方面完成了20kW-250kW燃料电池系统的开发；
测试设备方面完成250kW电堆、300kW系统测试台的开发，并完成了500kW电解槽测试台的开发。
值得一提的是，近年来，新研氢能在技术革新方面再一次刷新行业认知：
创造了多旋翼燃料电池无人机室外不间断飞行331分钟新的世界纪录并保持至今；
目前共获得2个国家级和4个省市级科技项目，为科技部兆瓦单堆项目所设计开发的极板有效面积超过1500cm²；
采用一体化构型设计使由一款定型极板组成的单堆功率可成倍增长；
通过延寿策略的实施使电堆的性能衰减率降低超过50%；
运用快速升温方法先后创造电堆在-47℃和-52℃无助冷启动的世界纪录，证实金属板电堆优良的低温环境适应性，同时也标志着我国低温冷启动技术已处于国际领先水平。
2024年以来，新研氢能无论是在市场投运还是产品使用亦或是技术的开发与迭代，均获得获得客户的认可和广泛的好评，业已成为燃料电池行业发展新标杆。
1月初，新研氢能质子交换膜燃料电池用金属单极板荣获中关村标准化协会“1字标”产品认证，成为国内质子交换膜燃料电池用金属单极板领域首个获得该项认证的企业。[相关阅读：新研氢能质子交换膜燃料电池用金属单极板荣获中关村标准化协会“1字标”产品认证]
1月12日，新都区首条由新都—彭州“零碳”氢能重卡物流示范专线正式开通，本次投入运营的49吨级氢能重型卡车搭载新研氢能自主研发生产的氢燃料电池系统，是新研氢能打造绿色、低碳的氢能多元化示范又一应用场景的实现，也是实现新都区绿色高质量发展的举措之一。[相关阅读：应用场景+1！新研氢能49吨级氢能重卡正式投运]
1月底，由新研氢能自主研发生产的氢燃料电池移动应急电源落户新都现代交通产业功能区石板滩片区，这是新都区打造的首个氢能燃料电池应急电源应用场景，是电网与氢能产业链的示范，有力推动氢能燃料电池技术应用和新模式落地，促进氢能与电能的互补融合。[相关阅读：新研氢能助力新都首个氢能移动应急电源投用]
2月底，搭载新研氢能自主研发生产全新一代153kW氢燃料电池系统的49吨重卡顺利完成“新都-九龙坡”往返700公里高速直达干线运行，成功贯通成渝氢走廊，为全国范围内构建“两纵四横”的氢能高速公路网提供重要范本。[相关阅读：首次！新研氢能49吨重卡完成成渝氢走廊往返满载运营]
3月，新研氢能与苏州金龙、赶趟出行合作的30台氢能燃料电池大巴车交付百度做员工上下班通勤车辆使用，过往搭载新研氢能燃料电池系统的大巴车已经在京安全运营50万公里。[相关阅读：新研氢能30台氢能燃料电池大巴车交付百度]
此外，不仅仅是在国内市场积极探索，新研氢能亦将视角投向海外。
在“出海”探索方面，新研氢能装备研发团队成功开发出桌面式便携式测试台，小巧的测试台灵活方便，适用于多元化应用场景。鉴于桌面式测试台优势，其成为公司首台出口设备，为公司产品走向国际市场打响的第一枪。2023年12月，德国联邦德国联邦议院议员、社民党经济能源发言人Bernd Westphal等为代表的德国能源代表团，在北京经济技术开发区工委、管委会等有关领导的陪同下到访新研氢能，德国代表团对大巴车燃料电池系统赞不绝口，并应邀参与12月8日中德绿色能源产业交流座谈会的圆桌会议。会议上齐志刚博士与德国代表、经开区其他企业代表共话中德绿色能源合作机遇与挑战。
在这个全球能源结构改变的关键节点，随着技术变革产能加速迭代和行业多维度深层次递进，新研氢能将坚持拓展商业化多场景应用，加大研发投入，继续深化氢燃料电池系统在交通领域的探索，挖掘自身潜力和技术特色，推动公司产品应用在更广阔的交通场景以及集中式发电、分布式发电、热电联供等更多领域，为氢能行业平坦未来可持续发展的路贡献出“新研”力量。
END
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