MEMS微型燃料電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)研究

文章來源：張帥、彭聰 VehicleTrend車勢

中國燃料電池產(chǎn)業(yè)開始加速發(fā)展，2018年預(yù)計(jì)突破3000-5000臺(tái)規(guī)模，電堆成為中國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前電堆國產(chǎn)化取得長足的進(jìn)步，關(guān)鍵零部件能實(shí)現(xiàn)不同程度的國產(chǎn)化，與國際先進(jìn)水平差距會(huì)迅速縮短。

國內(nèi)電堆企業(yè)可分為自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)兩大類,自主研發(fā)企業(yè)優(yōu)勢是技術(shù)和供應(yīng)鏈自主，但可靠性、規(guī)模生產(chǎn)和供應(yīng)鏈管理需要更大努力。技術(shù)引進(jìn)企業(yè)好處是研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)低、形成產(chǎn)能快，缺點(diǎn)是技術(shù)授權(quán)成本高。

旭日始旦，燃料電池景氣高峰起點(diǎn)

1、2017產(chǎn)業(yè)元年，中國燃料電池汽產(chǎn)量達(dá)到千輛

2017年是中國燃料電池產(chǎn)業(yè)化的元年，部分地區(qū)開展小規(guī)模的燃料電池汽車運(yùn)營，截止目前中國燃料電池汽車數(shù)量達(dá)到1000輛左右，佛山和北京已有燃料電池公交大巴運(yùn)行，京東、申通等物流公司開始試用燃料電池物流車。2018年國內(nèi)燃料電池汽車有望突破3000-5000臺(tái)規(guī)模，中國燃料電池開始令人振奮的高速發(fā)展階段。

2、路徑明確：商用車帶動(dòng)加氫站建設(shè)，降低氫氣與燃料電池成本

中國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：通過商用車發(fā)展，規(guī)?；档腿剂想姵睾蜌錃獬杀?，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到私人用車領(lǐng)域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能夠起到良好的社會(huì)推廣效果，形成規(guī)模后帶動(dòng)燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面商用車行駛在固定的線路上且車輛集中，建設(shè)配套的加氫站比較容易。當(dāng)加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時(shí)，又會(huì)支撐更多燃料電池汽車。

3、燃料電池多地開花，20省市推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

全國以富氫優(yōu)勢、棄電較多或者產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先為代表的地區(qū)重視燃料電池發(fā)展，多地市興建氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，氫能小鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)集群等，推動(dòng)燃料電池公交、物流車示范運(yùn)營，截至目前超過20省市明確推動(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前僅上海、鹽城、武漢、佛山和蘇州四城規(guī)劃顯示，到2020年燃料電池汽車數(shù)量近1萬輛。

電堆是最關(guān)鍵部件，性能滿足商業(yè)化需求

1、電堆是最關(guān)鍵部件

電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場所，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

在燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，電堆是處于中游核心環(huán)節(jié)。催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成膜電極和雙極板構(gòu)成電堆的上游，電堆與空壓機(jī)、儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其它組件構(gòu)成燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對應(yīng)交通領(lǐng)域和備用電源領(lǐng)域，主要是客車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。

2、電堆性能達(dá)到商業(yè)化，鉑金不是瓶頸

目前燃料電池汽車在速度、加速時(shí)間和續(xù)航均滿足日常使用，商業(yè)化瓶頸主要是在耐久性、低溫啟動(dòng)和鉑金需求方面，目前電堆性能達(dá)到商業(yè)化需求。

在耐久性方面，豐田和新源動(dòng)力轎車用電堆壽命超5000h，Ballard FCvelocity-HD6燃料電池已經(jīng)達(dá)到超過25000小時(shí)時(shí)間的耐久性記錄，已經(jīng)滿足日常乘用車和商用車使用需求。轎車用電堆耐久性達(dá)到5000h，普通乘用車用戶日均行駛2h，轎車可使用7年；商用車電堆耐久性達(dá)到25000h，一輛商用車日均行駛8h，使用時(shí)間可達(dá)到8年。

低溫性能方面，目前電堆可以應(yīng)對全球絕大部分地區(qū)和氣候，豐田燃料電池汽車和本田燃料電池汽車分別實(shí)現(xiàn)了-37℃和-30℃啟動(dòng)；即使在冬天，燃料電池汽車依然可以滿足日常使用。

鉑金需求方面，目前本田電堆鉑金載量已經(jīng)低至0.12g/kg，鉑載量還處于持續(xù)下降過程中，鉑金不會(huì)成為燃料電池發(fā)展瓶頸。以本田Clarity為例，單輛燃料電池車催化劑耗鉑已經(jīng)降至10g左右，而單輛柴油車需要5g做鉑金作為尾氣凈化催化劑，目前燃料電池催化劑鉑金用量已經(jīng)降至產(chǎn)業(yè)化水平，而且處于持續(xù)下降中，不會(huì)引起鉑金需求短缺。假設(shè)到2025年單車鉑載量5g計(jì)算，燃料電池汽車100萬輛計(jì)算，鉑金需求量5噸，相對2017年鉑金用量244噸，邊際增量只有2%；考慮燃料電池鉑載量持續(xù)下降和非貴金屬催化劑的發(fā)展，燃料電池汽車規(guī)模化的資源瓶頸并不存在。

國內(nèi)電堆實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，成本下行通道

1、我國掌握燃料電池關(guān)鍵材料、部件及電堆的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過863計(jì)劃，我國初步掌握了燃料電池關(guān)鍵材料、部件及電堆的關(guān)鍵技術(shù)，基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的車用燃料電池技術(shù)平臺(tái)，燃料電池在國內(nèi)外開展了多次示范運(yùn)行。2015年，我國燃料電池電堆性能達(dá)到：-20℃啟動(dòng)及-40℃存儲(chǔ)；壽命3000h；功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg；能量效率55%。

2016年11月，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”重點(diǎn)專項(xiàng)“燃料電池基礎(chǔ)材料與過程機(jī)理研究”項(xiàng)目在大連啟動(dòng)。項(xiàng)目由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所牽頭，21家單位共同參與，在催化劑、質(zhì)子交換膜、金屬雙極板、膜電極等方面開展基礎(chǔ)性研究，同時(shí)對燃料電池低溫環(huán)境適應(yīng)性、流場結(jié)構(gòu)、水管理過程等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，掌握批量制備燃料電池所需電化學(xué)材料關(guān)鍵技術(shù)，項(xiàng)目指標(biāo)達(dá)到DOE2020年目標(biāo)。

2、國內(nèi)電堆實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)：自主研發(fā)和引進(jìn)技術(shù)路線并舉

目前國內(nèi)燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產(chǎn)能量級提升，到2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能超過40萬kW。目前國內(nèi)電堆廠商主要有兩類：（1）自主研發(fā)，以新源動(dòng)力和神力科技為代表；（2）引進(jìn)國外成熟電堆技術(shù)，以廣東國鴻為代表，其余企業(yè)有南通百應(yīng)、嘉興愛德曼等。

新源動(dòng)力長期致力于燃料電池研發(fā)生產(chǎn)，公司現(xiàn)有產(chǎn)能1.5萬kW/年。其開發(fā)的HYMOD? -300型車用燃料電池電堆模塊，采用高穩(wěn)定性、高性能的“膜基催化層膜電極設(shè)計(jì)”和高可靠性的“復(fù)合雙極板結(jié)構(gòu)”，達(dá)到車用燃料電池5000小時(shí)的耐久性，實(shí)現(xiàn)電堆-10℃低溫啟動(dòng)，-40℃儲(chǔ)存。

廣東國鴻于2016年5月引進(jìn)加拿大巴拉德簽署引進(jìn)9SSL電堆生產(chǎn)線技術(shù)，并在國內(nèi)建設(shè)年生產(chǎn)2萬臺(tái)電堆（30萬kW）和5000套系統(tǒng)的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線于2017年7月1日正式投產(chǎn)。 9SSL系列燃料電池電堆是為交通領(lǐng)域設(shè)計(jì)的液冷式電堆產(chǎn)品，能夠滿足車用車載動(dòng)態(tài)特性要求。它具有良好的單電池均一性，工作壽命超過2萬h，最長壽命超過2.5萬h。巴拉德9ssl電堆的9SSL系列電堆產(chǎn)品自2009年生產(chǎn)至今已累計(jì)生產(chǎn)電堆超過10,000臺(tái)，部署量達(dá)到320MW，產(chǎn)品的成熟性已經(jīng)過充分的市場驗(yàn)證。

3、電堆成本進(jìn)入下行通道

電堆成本在燃料電池汽車中占比最高。目前燃料電池電堆實(shí)現(xiàn)小規(guī)模放量和初步國產(chǎn)化，電堆成本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)有力下降。隨著規(guī)模放大以及電堆產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化，電堆成本預(yù)計(jì)可降60%。

具體到各個(gè)環(huán)節(jié)來看，氣體擴(kuò)散層降本主要由規(guī)模化效應(yīng)驅(qū)動(dòng)；而質(zhì)子交換膜、催化劑和雙極板降本則需國內(nèi)工藝進(jìn)步和規(guī)模化加以推進(jìn)。

電堆產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化進(jìn)行時(shí)

1、國內(nèi)電堆產(chǎn)業(yè)鏈雛形初具

國內(nèi)燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈初成雛形，上游廠商齊全，膜電極、質(zhì)子交換膜和雙極板具備國產(chǎn)化能力，氣體擴(kuò)散層有小批量供應(yīng)，催化劑具備研發(fā)能力。

2、國內(nèi)膜電極具備產(chǎn)業(yè)化能力，有序化膜電極是工藝發(fā)展趨勢

膜電極（membrane electrode assembly，MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出提供通道，膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的心臟。膜電極通常由5部分組成，即中間的質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的陽極催化層和陰極催化層，最外側(cè)的陽極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層。

當(dāng)前膜電極在性能和產(chǎn)能方面可以初步滿足商業(yè)化需求?，F(xiàn)階段性能初步滿足產(chǎn)業(yè)使用，2015年MEA，在工況條件下壽命達(dá)到2500小時(shí)，性能方面也達(dá)到810mW/cm2。膜電極廠商具備萬平米級產(chǎn)能，目前做膜電極的廠商分為兩類，一種是具備膜電極產(chǎn)業(yè)化能力，能夠自給自足的燃料電池廠商，以豐田和Ballard為代表。另外一種是專業(yè)的膜電極供應(yīng)商，包括Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和國內(nèi)的武漢理工新能源等，都已經(jīng)具備了不同程度的自動(dòng)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)能在數(shù)千平米到萬平米級。

國內(nèi)武漢理工新能源生產(chǎn)的是燃料電池的核心零部件膜電極，年產(chǎn)量達(dá)到12萬片，建成自動(dòng)生產(chǎn)線產(chǎn)能5000平米/年。武漢理工新能源膜電極產(chǎn)品功率密度，最高可達(dá)1W/cm2；Pt用量低至0.3mg Pt/ cm2。

MEA生產(chǎn)工藝瞄準(zhǔn)低鉑和高功率密度，有序化膜電極工藝是未來發(fā)展趨勢。膜電極技術(shù)經(jīng)歷了三代發(fā)展，大體上可以分為熱壓法、CCM（catalyst coating membrane）法和有序化膜電極三種類型。目前大部分廠商選擇第二代CCM三合一膜電極技術(shù)，有序化膜電極是當(dāng)下工藝發(fā)展趨勢。有序化膜電極能兼顧超薄電極和結(jié)構(gòu)控制，擁有巨大的單位體積的反應(yīng)活性面積及孔隙結(jié)構(gòu)相互貫通的新奇特性，可以達(dá)到高效三相傳輸、高Pt利用率、高耐久性，使其成為了PEMFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。

3、質(zhì)子交換膜：全氟磺酸膜是主流，國內(nèi)具備量產(chǎn)能力

質(zhì)子交換膜是作為PEM燃料電池的核心組件，主要功能是充當(dāng)質(zhì)子通道實(shí)現(xiàn)質(zhì)子快速傳導(dǎo)，同時(shí)還起阻隔陽極燃料和陰極氧化物的作用，防止燃料（氫氣、甲醇等）和氧化物（氧氣）在兩個(gè)電極見發(fā)生互串，此外還需要對催化劑層起到支撐作用。質(zhì)子交換膜性能好壞直接決定著PEM燃料電池的性能和使用壽命，作為PEM材料，應(yīng)具有以下性質(zhì)：

全氟磺酸膜是主流質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟情況進(jìn)行分類主要包括全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無氟化質(zhì)子交換膜和復(fù)合膜。目前世界上主流質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，其碳-氟鍵的鍵能高，使其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，其聚合物膜的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他膜材料的使用壽命，其次分子鏈上的親水性磺酸基團(tuán)具有優(yōu)良的氫離子傳導(dǎo)特性。全氟磺酸膜也是目前在PEMFC中唯一得到廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜，如美國杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列質(zhì)子交換膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜，其中Nafion膜應(yīng)用最廣泛。

全氟磺酸膜成型工藝可分為三類：PESIM擠出成型工藝、溶液澆鑄成型工藝和復(fù)合成型工藝。

PFSIEM 擠出成型工藝可分為熔融擠出成型和凝膠擠出成型，熔融擠出成型又分為熔融擠出流延成型和熔融擠出壓延成型。熔融擠出成型工藝，具有厚度均勻，生產(chǎn)效率高，樹脂熔融時(shí)破壞性小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。PFSIEM的擠出工藝過程中主要有3 部分組成 ：全氟磺酰氟樹脂 (perfluorosulfonyl fluoride resin簡稱PFSR )擠出造粒、全氟磺酰氟薄膜制造和全氟磺酰氟薄膜的轉(zhuǎn)型。

溶液澆鑄成型是指在常壓下將樹脂溶液注入固有模具，經(jīng)溶液揮發(fā)后加熱成膜的工藝。澆鑄成膜方法成本較低和操作簡單可控，目前國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)大多采用此法，不過實(shí)驗(yàn)室厚度均勻性不足。全氟磺酸鈉鹽樹脂溶液鋼帶流延成型的工藝過程主要有4個(gè)部分：全氟磺酸鈉鹽樹脂溶液配制 、鋼帶流延成型 、溶劑揮發(fā)和質(zhì)子膜轉(zhuǎn)型干燥。

全氟磺酸復(fù)合膜中采用其他材料改善全氟磺酸質(zhì)子膜性能，比如采用 PTFE的多孔材料，以減少全氟磺酸樹脂的用量，提升力學(xué)性能，降低成本。制備復(fù)合膜工藝有溶液復(fù)合成型工藝；溶液與其他材料的復(fù)合通常有浸沒、涂布、噴涂等工藝，產(chǎn)品復(fù)合后再進(jìn)行干燥成膜，溶液復(fù)合成型工藝如下圖：

根據(jù)DOE，目前質(zhì)子交換膜性能在某些方面已經(jīng)達(dá)到或超過DOE2020年目標(biāo)，機(jī)械耐久性達(dá)到23000次，化學(xué)耐久性742h，成本17$/平米。

質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化能力具備，國內(nèi)東岳集團(tuán)可量產(chǎn)DF260系列膜。目前市場上主要生產(chǎn)全氟磺酸膜的企業(yè)主要來自于美國、日本、加拿大以及中國，其中戈?duì)柕腟elect復(fù)合膜廣泛應(yīng)用于燃料電池，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代ix35均采用戈?duì)朣elect系列膜。除此以外，質(zhì)子交換膜還有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化學(xué)（Dow Chemical）的Xus-B204 膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、加拿大Ballard的BAM膜和比利時(shí)Solvay的系列膜。

在國內(nèi)，山東東岳集團(tuán)質(zhì)子交換膜性能出色，具備規(guī)?；a(chǎn)能力。2004年，東岳集團(tuán)聯(lián)合上海交通大學(xué)研發(fā)出質(zhì)子交換膜，經(jīng)日本豐田公司和德國Fuma.Tch公司分別檢測，東岳公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜性能出色不遜于同類產(chǎn)品。目前，東岳DF260膜厚度做到15um，在OCV情況下耐久性大于600小時(shí)；膜運(yùn)行時(shí)間達(dá)到6000小時(shí)；在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)都超過2萬次。東岳DF260膜技術(shù)已經(jīng)成熟并已定型量產(chǎn)，二代規(guī)劃產(chǎn)能20萬平米，而且東岳集團(tuán)已建成年產(chǎn)50噸燃料電池離子膜所需要的全氟磺酸樹脂生產(chǎn)裝置，可滿足2.5萬輛電動(dòng)汽車的離子膜所需。

4、催化劑：鉑用量降至可接受水平，國內(nèi)具備研發(fā)能力

催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過程。目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑。

陽極反應(yīng)：陽極電催化劑表面的氫氣氧化反應(yīng)（HOR），整體氧化反應(yīng)可以表示為：

陰極反應(yīng)：陰極電催化劑表面的氧還原反應(yīng)（ORR），整體反應(yīng)可表示為：

目前最好的催化劑仍是Pt和Pt基催化劑，當(dāng)前鉑金用量已經(jīng)降至可接受水平，根據(jù)DOE數(shù)據(jù)，2015年P(guān)t含量達(dá)到0.16g/kw，質(zhì)量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料電池催化劑Pt含量降至0.12g/kw，豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達(dá)到0.175g/kw。

考慮到鉑金昂貴和稀有，降低Pt用量一直是催化劑研究主要方向。對于質(zhì)子交換膜燃料電池Pt用量的降低，一方面通過提高催化劑的催化活性來實(shí)現(xiàn)Pt用量降低，一方面尋找替代Pt的催化劑：

Pt質(zhì)量比活性可以通過提高表面Pt的面積比活性來改善，改變表面Pt面積比活性的重要理論指導(dǎo)是Pt與其他金屬發(fā)生相互間作用后，Pt原子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。主要研究方向有Pt合金催化劑、Pt單層催化劑、Pt納米管和Pt核殼等：

研究非Pt催化劑替代，包括鈀基催化劑和非貴金屬催化劑。

催化劑海外企業(yè)領(lǐng)先，國內(nèi)正起步。在燃料電池催化劑領(lǐng)域， 海外企業(yè)處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，而且性能穩(wěn)定，其中英國 Johnson Matthey和日本田中（本田燃料電池車Clarity催化劑供應(yīng)商）是全球鉑催化劑的巨頭。國內(nèi)企業(yè)尚處于研究階段，有兩類結(jié)構(gòu)：（1）貴研鉑業(yè)；主營汽車尾氣鉑催化劑，和上汽共同研發(fā)燃料電池催化劑；（2）研究機(jī)構(gòu)，大連化物所、新源動(dòng)力等，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的Pd@Pt/C核殼催化劑，其氧還原活性與穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異。

5、氣體擴(kuò)散層：技術(shù)成熟，國內(nèi)達(dá)到小規(guī)模生產(chǎn)

多孔氣體擴(kuò)散層將膜電極組合體夾在中間，主要起氣體擴(kuò)散的作用。多孔擴(kuò)散層的主要功能包括：①實(shí)現(xiàn)氣體在催化層表面的擴(kuò)散；②提供機(jī)械支撐；③導(dǎo)通電流；④排除反應(yīng)生成水。擴(kuò)散層的材質(zhì)是經(jīng)疏水材料處理的碳基材料（碳紙或碳布）。疏水材料的作用是防止水在擴(kuò)散層孔中積聚，影響氣體擴(kuò)散。

氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、 碳纖維非紡材料及碳黑紙，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來制備，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及產(chǎn)生水均勻分配。

技術(shù)條件最成熟，需提高規(guī)?；a(chǎn)能力。氣體擴(kuò)散層是目前燃料電池堆各部件中技術(shù)條件最成熟，商業(yè)化利用潛力最好的產(chǎn)品。目前，氣體擴(kuò)散層面臨的主要挑戰(zhàn)除了大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)難點(diǎn)外，還存在缺乏大量生產(chǎn)的問題，這使得其成本在燃料電池堆的總成本中仍占相當(dāng)一部分。DOE基于巴拉德（Ballard）動(dòng)力系統(tǒng)公司生產(chǎn)的GDL進(jìn)行成本估算，如大量生產(chǎn)（每年批量生產(chǎn)50萬個(gè)電堆），其價(jià)格可下降到4.45美元/m2 。因此，在研究提高擴(kuò)散層的性能的同時(shí)，開發(fā)擴(kuò)散層大規(guī)模生產(chǎn)工藝同樣是研究重點(diǎn)。

目前碳紙產(chǎn)品主要由幾個(gè)國際大生產(chǎn)商壟斷，包括日本東麗（Toray）和德國SGL等。東麗目前占據(jù)較大的市場份額，且擁有的碳紙相關(guān)專利較多，生產(chǎn)的炭紙具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點(diǎn)。

國內(nèi)產(chǎn)品尚處于小規(guī)模生產(chǎn)。上海河森公司有小批量碳紙產(chǎn)品，燃料電池專用高性能氣體擴(kuò)散層具備1000平方米/月生產(chǎn)能力。臺(tái)灣碳能科技公司的碳紙產(chǎn)品價(jià)格較低，獲得了一定市場認(rèn)可。同時(shí)中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及北京化工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也都有研究，其中中南大學(xué)提出了化學(xué)氣相沉積（CVD）熱解炭改性碳紙的新技術(shù)，發(fā)明了與變形機(jī)制高度適應(yīng)的異型結(jié)構(gòu)碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結(jié)合的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性有所提升。

6、雙極板：石墨板應(yīng)用廣泛，金屬板能量密度高，國內(nèi)具備小規(guī)模生產(chǎn)能力

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、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。

雙極板材料主要包括石墨、金屬以及復(fù)合材料三類。石墨基雙極板在燃料電池的環(huán)境中具有非常良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有很高的導(dǎo)電率，是目前質(zhì)子交換膜燃料電池研究和應(yīng)用中最為廣泛的材料。金屬材料相比石墨材料具有更好的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)性能，同時(shí)金屬材料良好的機(jī)加工性能會(huì)大大降低雙極板的加工難度。復(fù)合材料雙極板能較好地結(jié)合石墨板與金屬板的優(yōu)點(diǎn)，使電堆裝配后達(dá)到更好的效果。

乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢。如日本豐田Mirai燃料電池汽車用金屬雙極板PEMFC模塊的功率密度達(dá)到3kW/L，英國Intelligent Energy的新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度達(dá)到5kW/L。金屬雙極板使PEMFC模塊的功率密度大幅提升，金屬雙極板已成為乘用車燃料電池的主流雙極板。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone 等。國內(nèi)上海治臻新能源裝備有限公司已經(jīng)開發(fā)了包括氫空/氫氧、空冷/水冷等適用于各種環(huán)境的多款量產(chǎn)金屬雙極板。上海交大、新源動(dòng)力、上汽集團(tuán)和上海治臻聯(lián)合開發(fā)的汽車燃料電池大面積超薄金屬雙極板設(shè)計(jì)與精密制造技術(shù)獲得2017年度“中國汽車工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)。

石墨雙極板因?yàn)槟途眯蚤L，廣泛應(yīng)用于商用車。石墨基雙極板的主流供應(yīng)商有美國POCO、美國SHF、美國 Graftech、日本FujikuraRubber LTD、日本Kyushu Refractories、英國 Bac2等。石墨雙極板目前已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化， 國產(chǎn)廠商主要有上海弘楓、杭州鑫能石墨等。

復(fù)合材料雙極板近年來也開始有應(yīng)用,如石墨/樹脂復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等，國內(nèi)具備研制能力。

文章來源：張帥、彭聰 VehicleTrend車勢