齐志刚——燃料电池金属极板和电堆

齐志刚

首席技术官/高级工程师

新研氢能源科技有限公司，

国际电工协会（IEC）燃料电池技术分会（TC105）AG1顾问组的召集人及WG1和WG17工作组的召集人

各位领导、各位专家，我是齐志刚，来自于新研氢能源科技有限公司，现在向大家做一个关于燃料电池金属极板电堆和系统的报告。

我的报告包括两个部分，第一个是国内外进展情况，第二个部分向大家汇报一下我们公司的情况。

电堆是燃料电池的发电模块，大家可能最关注的是跟膜电极有关的内容，像催化剂、膜等等，但其实极板也是非常重要的一个核心部件。对于催化剂或者膜电极里所用的材料，几十年来没有大的变化，我个人认为在短期内不会有革命性的突破。但是国内这几年在技术、工艺，批量制备以及示范运行方面取得了非常大的进步。

极板是电堆里的核心部件，它起着非常重要的功能，比如说它起着分配流体的作用，还要支撑膜电极，支撑整个电堆，还有导电和导热，所以流场设计必须合理，它直接影响到电堆的性能和寿命，而且不能有分子大小的针眼。大家知道电堆中有三种流体，如果有分子大小的针眼都会互串，它还要具有很好的强度，必须是热的良导体和电的良导体。

同时我们知道燃料电池尤其是阴极侧环境比较恶劣，它有高电压、高腐蚀性，还有高湿度，所以现在能用来做极板的材料只有两类，一类是石墨，另外一类是金属。大家从右边这个图可以看到，石墨板一般是从石墨粉或者石墨毡开始，通过一系列的工序完成极板的制作。但是对于金属板来讲，流程相对比较简洁，所以金属板更适合于低成本、大批量的制备。

这里对金属板和石墨板进行了一个简单的对比。采用0.1毫米的不锈钢，金属板可以冲出0.4毫米深的流场，而不会导致极板的破裂。所以整个双极板，即阴极板与阳极板合在一起整个厚度就是1毫米，采用同样的流场尺寸的话，如果使用石墨的话，石墨板的尺寸就会达到2毫米这么一个厚度，所以说从极板的厚度来讲石墨板一般来是金属板厚度的2倍。同时这个表里也对比了质量、体积以及热容，为什么提到热容呢？因为热容对于冷启动是一个很重要的参数，如果热容高的话启动的时候需要非常大的热量，所以启动起来会比较难。

从这个表中大家可以看到若干个参数的对比，金属板最大的缺陷就在没有镀层的情况下抗腐蚀性能是不行的，但是除此之外其它性能指标远远优于石墨板。但是对于镀层来讲，只要有合适的工艺和材料，腐蚀是一个可以解决的问题，但是石墨板的阻气性差、比较脆、抗震性比较差，这些本质的特点难以克服的。所以如果在有良好镀层的情况下，石墨板、金属板的寿命应该不会有巨大的差别。

关于寿命报道，这两年，尤其是今年比较多，以前是很难看到关于寿命的报道。首先是2020年6月份瑞典报道了16000个小时的测试，他们进行3万小时的尝试。今年10月份，明天氢能报告了0.9万个小时，然后是新源动力1万个小时，治臻报告了2万小时，丰田跟国内几个企业联合成立的开发公司最近说可以达到3万小时的寿命，所以从这些报道来讲，大家可以知道金属板的寿命其实是可以做到很长的，同时大家可以想想，石墨板虽然做的时间比较长，但是好像也没有能达到2万小时的寿命。

金属板电堆它还有其他的优势，它可以做到更大的功率，可以进行更低的低温冷启动，可以做到大的功率密度，易于批量化生产，成本更具有竞争力，同时系统也会相对来说小一些。

金属极板这么好，为什么它的发展滞后于石墨板呢？就是因为金属极板在设计、加工方面有很多的难点，比如说阴极板和阳极板是高度关联的，它俩不能独立设计。还有冷却液流场就是阳极板流场的背面和阴极板流场的背面组合而成的，所以根本就不能单独设计，换句话说对于金属双极板来讲，任何一点的改变阴阳极板必须同时进行调整，所以难度还是非常大的。同时这个极板在加工制造的过程中，几个工序都会导致它的变型。再有一个就是不能有分子针眼的大小，还有一个就是金属板面积越大越难以加工，它不像石墨板采用机器雕刻的方式，跟板面的大小都没有什么关系。

金属板的结构一般有三种，这是最常见的一种，两边是共用腔室，然后是导流区，就是把来自于共用腔室的流体有效的导入和导出活性区域，这个活性区域就是与膜电极的催化层相对应的部分，所以你要想增加电堆的功率密度，最好把活性区域的面积占整个板子的面积占比做得越大越好。

这是第二种方式，代表企业是现代。这种设计导流区了，所以它的有效面积可以做的非常大，可以做到60%以上，但是流体分布可以看出来明显不均匀，所以可能会对电堆的寿命有一定的影响，但是我们也不是很确定。

这是第三种设计方式，代表企业就是丰田一代和治臻，空气流场流动方向跟其他两个流体方向垂直。这种板型的设计最大的问题就是刚才我提到的有效占比怎么做都做不大，因为四边都有共用腔室，像丰田一代，它的有效面积占整个板子的占比只有38%。

这是2021年我汇总的一些比较有代表性的事件。

电堆占比55%，金属板电堆占比45%，预计今年会持平。2021年3月份治臻举行了年产千万片级金属极板产线投产仪式，成为当下全球最大的金属极板生产基地。9月份氢晨科技荣获全球新能源汽车创新技术奖，国内首家实现了单电堆150kW、单堆系统130kW以上的持续高功率输出。10月下旬氢晨报道说单堆230KW的大功率电堆已经进行性能测试。10月份联合燃料电池系统研发北京有限公司开发的燃料电池系统功率密度达到了711W/kg。还有10月份，捷氢科技报道电堆额定功率密度达到4.2千瓦每升，峰值功率密度5.1千瓦每升，同时系统的体积功率密度达到1020瓦每升，质量功率密度达到722W/kg。还有10月份，丰田实现了5.65kg的氢气行驶1360公里，平均每公斤的氢气可行驶240公里的世界记录。所以这一年来在燃料电池金属板领域取得的进步还是非常多的。

这一个表我汇总了一些公告的情况，从340—349批次，即从1月份到今年的10月份，从车型来看最多的还是客车，因为大家知道燃料电池这个市场还是离不开政府的支持，所以公交车的车型还是最多的。同时从公告的个数来讲基本上是呈上升趋势，同时大家再看看最右边的这个图，就是关于功率，虽然功率在107—125千瓦公告数最高的， 68个，但是我个人认为未来燃料电池系统额定功率输出在80千瓦左右应该是主流。

下面向大家汇报一下关于我们公司的一些情况。

我们公司就是开发、设计、制造和销售燃料电池极板、电堆、系统和测试台。在北京、大连和大同分别设有子公司，北京公司主要是实现从0到1关于极板和电堆的研发，大同是生产基地，就是从不锈钢卷材开始一直到电堆生产完毕，批量生产，大连主要是燃料电池系统的开发以及测试台的制造。

公司的业务其实也比较简单，就是围绕着产品、服务和应用，产品就包括生产制造的极板、电堆、燃料电池系统、测试台，还有电压巡检模块。服务，比如进行一些极板的设计、电堆的设计或者产线设计方面的服务，最后的应用就是把燃料电池系统应用在不同的场景和领域中。

这是我们公司关于金属极板的开发情况，首先我们有空冷电堆小面积极板的开发，同时也开发出几款面积比较大的，比如说一代、二代，面积在300平方厘米左右，三代到五代在400平方厘米左右，对应不同的单堆功率。

这是我们一个40片短堆性能曲线，大家可以看到平均单电压0.65伏的时候，它的电流密度可以达到1.7安每平方厘米，功率密度达到1.1瓦每平方厘米。这是二代极板开发的85和115kw电堆的性能，额定体积功率密度达到是4.4千瓦每升。

这是我们开发的燃料电池模块和对应的燃料电池系统，比如说第二个60千瓦模块组装成了90千瓦的系统，它是双堆系统。这是70千瓦和90千瓦单堆系统的实物照片，我们在楼下有一个展厅，可以看到90千瓦系统的一个模型，欢迎大家去参观指导。

这是产线，就是我们大同的生产线。

第一步是极板的成型，就是阴阳极板的加工制造，通过冲床，采用0.1毫米不锈钢。第二步是极板的清洗，极板即使表面上看着很干净，其实表面并不是那么干净，所以要进行清洗。第三步是阴阳极板进行焊接，焊接成金属双极板；这一步是对焊接的板子进行一些检测，最后一步就是电堆的组装，总共是这么六个工序。

下面我给大家简单汇报一下一些生产过程的视频，这个成型视频有点变型了，极板成型就是这么一个过程（见视频）。下面这个是极板焊接的过程，是通过激光把阴阳极板焊接在一起。这个大家可以看到是一个防腐镀层以及电堆的组装、自动化的组装，下面这个是极板的清洗过程。

最后做一个小结，极板是电堆中的核心部件，除了膜电极大家认可的一个非常重要的核心部件以外，其实极板也是一个非常重要的核心部件。极板的流场和品质决定了电堆竞争力，金属极板的功率密度、质量、体积、抗震、冷启动方面的优势非常明显，而且实测证明金属板电堆的寿命并不一定比石墨板电堆寿命短。国内金属板电堆发展迅速，一些性能指标已经达到了国际先进水平，我们公司已经掌握了金属极板的设计、制造技术和工艺，成功开发出多款极板、电堆、系统和测试台，公司可提供设计服务，也可销售实际产品。

谢谢大家！