双极板又称集电板，其作用是为二氧化碳提供流通通道，避免电池气室中二氧化碳与氢气串通，并在电池负极与正极之间建立电流通路。系列。 双极板是燃料电池的重要部件之一，其重量约占电堆的80%，成本约占24%。
燃料电池的双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠构成电堆，在燃料电池中起着支撑、收集电压和分配二氧化碳的重要作用。 近年来，随着燃料电池汽车示范新政策的逐步加速，双极板市场规模环比持续扩大。
在燃料电池核心部件国产化进程中，石墨双极板是突破最快的核心部件之一。 国产石墨双极板已具备优异的性能和广泛的实际应用。
双极板原理
双极板也称为集电板，其作用是为二氧化碳提供流动通道，避免电池气室中甲烷和二氧化碳的串通，并在电池负极和正极之间建立电流通路。系列。 双极板是燃料电池的重要部件之一，其重量约占电堆的80%，成本约占24%。
在保持一定的机械硬度和良好的阻气效果的前提下，双极板的长度应尽可能薄，以降低对电压和热量的传导阻力。 目前，市场上氢燃料电池双极板材料主要有石墨、金属和复合材料三种。
石墨材料是最早开发用于双极板的材料。 其优点是耐腐蚀性强、耐用度高，但缺点是生产周期长、抗压性能差、成本高。 目前广泛应用于专用车和卡车。
金属双极板硬度高、韧性好，但具有良好的导电性、导热性和较高的功率密度。 它们可以很容易地加工成非常薄的双极板（0.1-0.3mm）。 主要应用于乘用车，如福特采用金属双极板，其燃料电池模块功率密度达到3.1kW/L； 美国新一代-192金属双极板燃料电池模块的功率密度甚至达到5kW/L。
复合双极板兼顾了石墨材料的耐腐蚀性和金属材料的高硬度，未来将向低成本方向发展。
目前国际市场上，欧美、俄罗斯的石墨、金属双极板总体实力较强，美国、英国的复合材料双极板处于世界先进水平。 国外石墨双极板已经比较成熟，一些厂家生产的石墨双极板部分性能已达到国际先进水平，如北京宏丰实业、上海宏骏、淄博联强等企业。 我国金属及复合材料双极板研究较晚，技术上仍有很大提升空间。 现阶段国外金属及复合双极板相关研究机构和企业包括北京理工大学、爱德曼氢能、鑫源电力等。
双极板湍流
湍流的基本作用是引导反应气体的流动方向，保证反应气体均匀分布到电极的各个部位，同时及时排出电池运行过程中的产物。
常规湍流模式主要有：并联直流场、单通道蛇形湍流、多通道蛇形湍流、叉指式湍流、网状湍流、条状湍流、螺旋湍流等。 flow 这两种流方法都有其缺点。
平行直流场可以通过改变槽与脊的长度比以及通道的宽度来改变流经槽的反应气体的线速度，从而排出液态水。 平行流道的缺点是一个流道中的障碍物会导致剩余流道中的流体重新分布，为此存在阻塞死区，导致二氧化碳分布不均匀。 优点是加工简单、流体阻力小。 目前，许多烟囱空气侧都采用这些紊流，流体从歧管进入并经过紊流分配段，过渡为平行槽内的紊流，并联直流场如图所示。
并联直流场
变截面直通道内的湍流是平行直流场中湍流的改进，变截面直通道内的湍流如右图所示。 由于湍流截面的变化，二氧化碳沿流道的速度和方向都会发生变化，可以有效地促进传热。 右图a是圆形变截面流道。 通道槽的底部和顶部不平行，产生一定的倾斜角度。 仿真分析表明，与平行流道相比，这些变截面流道有利于降低电压密度和最大功率密度。 右图b中的流道内部设计为具有起伏波浪结构的紊流。 仿真分析表明，周期性变化的波结构可以提高反应二氧化碳的流量和催化剂的效率，并在高电压密度下增加传热极。 改变。
变截面直通道内的湍流 a) 圆形变截面流道 b) 波形变截面流道
蛇形紊流分为单通道和多通道结构，蛇形紊流如右图所示。 对于单通道蛇形流道，所有的二氧化碳都在一个流道中流动，二氧化碳的流速很高，流道很长。 压力损失过大，虽然不利于反应水的脱除，但也不利于电压密度的均匀性和催化剂的使用。 而一旦单个流道被堵塞，将直接导致电池难以使用。 为了防止上述单蛇形湍流的缺点，多采用右图b所示的多道蛇形流道。 多通道蛇形湍流兼有直流场和单蛇形湍流的优点。 虽然单个通道被堵塞，但其他流通通道也会发挥作用。 同时同一活性区域采用多通道，有利于减少流道拐点，有效降低压力损失，保证电池的均匀性。 二氧化碳排放的特点。 但由于流道过长，二氧化碳的压力损失较大，二氧化碳进出口压差较大，不利于催化剂的使用和电压密度的均匀性。
蛇形湍流 a) 单通道蛇形流道 b) 多通道蛇形流道
蛇形流道是连续的，通过改变槽与脊的长度比、通道数和槽的总宽度来调节反应气流的线速度，以排出液态水。 优点是可以强制流体流过流道，其实这需要有一定压头的空压机作为保证； 缺点是流体阻力较大，在流道末端会形成极化损耗。
叉指式湍流从板片入口到板片出口的流道一般是不连续的，流道是死胡同，促使反应物在压力作用下穿过微孔反应物层，到达与板片相连的流道上。歧管装置。 交叉梳状湍流配置可有效去除电极结构中的水分，避免吞没并提高性能； 缺点是电阻比较大，容易漏电，目前实际使用较少。
叉指型湍流
网状湍流 网状湍流一般是在流体入口和出口之间有规律地排列障碍物，使流体绕着障碍物之间的孔隙流动。 这些设计更加灵活。 由于这些湍流中的流体速度较低，因此排水能力较差，但其补水能力较强。 FCV采用网格紊流设计，利用3D精细网格生成空气和水循环通道。 与平行槽湍流相比，网络湍流提高了二氧化碳扩散到催化层的能力，增加了传热极化。 3D细网格湍流如图2-26所示。 特点： 3D紊流可以使流体与催化层形成垂直，从而增强流体的传热； 但需要空气压缩机有较高的压头来克服流道内流体的流动阻力。 可以采用减小流道宽度的方法来减小阻力。
3D 细网格湍流
市场展望
2018-2020年，国外燃料电池双极板市场规模分别为2.5万元、2.85万元、3.1万元，呈现逐年增长的状态。 目前，氢燃料电池双极板市场呈现市场规模小、技术路线多样、参与者类型多等特点。
双极板具有分离活性二氧化碳、收集电压、提供活性二氧化碳通道的功能。 双极板的质量直接决定电堆的输出功率和使用寿命。 在氢燃料电池汽车的成本构成中，氢燃料电池系统在整车中占比高达60%； 堆栈在系统中的成本占比超过50%； 电堆中双极板的成本仅次于膜电极。
电堆成本高的主要原因一方面是国外核心零部件不成熟，只能依赖进口，另一方面是市场还不成熟。 目前主要还是依靠国家的新政策。
国外双极板研发生产企业
华融科技
华融科技是与中国和深圳合资成立的公司，主要从事燃料电池用石墨双极板的研发和生产。 2021年，公司将根据市场需求扩大产能，一期项目将于8月底投产； 二期也已于月底完成前期检查。 全年华融科技燃料电池用石墨双极板（含水冷双极板）出货量约50万套，环比增长300%。
华融科技目前拥有数百万片石墨双极板的量产经验。 随着公司二期项目逐步投产，预计月产能将达到15万-20万套。 华融科技燃料电池石墨双极板已成为公司各石墨产品项目中净利润第二大的经营蓝筹股。
上海公爵
上海杜克由汉和、杜克新材料三方共同组建，主要从事薄型复合石墨双极板组件的生产和销售。 截至目前，上海杜克已形成年产100万套薄型复合石墨双极板组件的生产能力。 石墨双极板生产线。
12月13日，上海杜克模压复合石墨板新品发布会在高工氢电年会同期隆重举行。 上海杜克模压石墨复合板拥有自主知识产权，并拥有授权发明专利。 该产品采用自合成树脂胶，与增强材料和石墨蠕虫混合，滚压形成预成型板，采用快速冷压成型成型工艺，开发出水场、空气场粘接和粘接的配套粘接解决方案。密封。 控制力和成本可控的优点。
鸿骏新能源
鸿骏新能源成立于2010年，早在2011年就开始将石墨双极板产品应用于燃料电池汽车，现拥有湖南南浔和山东潍坊两大生产基地，年产能200万片。 公司六年不断的技术积累和强大的供货能力，使鸿骏新能源在行业内拥有非常广泛的客户群。 2021年示范新政推出，鸿骏新能源出货量在80万片左右，环比下降40%。 其中，大客户需求稳步下降，小客户数量也明显减少。
在产品层面，鸿骏新能源的第三代石墨双极板是目前市场的主力军。 该产品通过浸渍工艺将石墨板的孔隙率降低95%以上，但其薄度会大幅增加电堆的体积和重量。 ，深受市场好评。 为不断提高公司核心竞争力，鸿骏新能源正在研发第四代石墨双极板，目前已进入小批量验证阶段。 新一代石墨双极板在材质和性能上更优、更稳定，气密性≤0.0，单面凹槽长度可达0.5mm，凹槽深度0.2mm。
嘉宇炭素
嘉宇炭素成立于2008年，是华北地区最早从事石墨销售、加工的配套厂家之一。 由于常年从事石墨制品的生产制造，公司拥有一批高级工程师。 从立项、设计、方案、生产、测试、售后服务，每个环节都配备了高水平的专业人才。 业内有说法称，嘉宇炭素在踏入石墨双极板领域之初，就“站在了巨人的脖子上”。 2013年，公司凭借在石墨精加工领域的深厚背景，进军石墨双极板市场。 经过近10年的精耕细作，嘉宇炭素创造性地开发出了薄型超细石墨双极板，并将产能提高到年产80万-120万片。
嘉宇炭素目前生产的石墨双极板，一侧沟槽宽度为0.5mm，两侧宽度为0.8mm。 单组石墨双极板的宽度要求为1.5mm。
广州至臻
广州智臻成立于2016年，是国外首家专注于氢燃料电池金属双极板研发和制造的国家高新技术企业。 公司核心技术来自广州交通大学。 经过16年的潜心研究和创新，在板材构型设计、超薄板精密成型与高速激光点焊、高性能复合纳米涂层、一体化密封等方面拥有完全自主知识产权。 关键核心技术达到世界一流水平的金属板材设计和制造能力。
截至目前，广州智臻已累计研发出7代具有自主知识产权的金属双极板，掌握了“全工艺链集成”的关键自主核心技术，并实现了国外核心主机的规模化量产工厂和堆栈企业供应，成为国内金属板材技术实力的“责任”。 2021年3月，广州智臻年产数千万片金属板生产线在南通市投产。 这是目前全球最大的金属板生产线，标志着我国氢燃料电池汽车产业从研发阶段过渡。 进入大规模示范应用期。
2021年，北京智臻还推出了新型碳涂层金属板产品。 极板成本增加40%-50%的同时，也将金属极板燃料电池底盘的预期寿命延长至2万小时以上。 这款金属双极板最大的突破在于采用了最新的碳涂层技术，可以有效提高极板的寿命并降低成本。 为降低成本奠定基础。
三佳机械
三佳机械2005年成立于广州，2007年与北京航天动力研究院（811研究所）合作开发氢燃料电池钛合金单极板，成为国外最早涉足氢燃料电池钛合金单极板的企业之一。燃料电池的金属板。 经过不断的技术迭代，三佳机械已成功交付80余种不同流道形状的金属双极板。 材质主要为钛合金等，材质长度为0.075-0.1mm。 最大可达0.45，物料流道深度达到0.5±0.01，流道周期1.0/1.1/1.25/1.4/1.6/1.8/2.0mm，流道间均匀度≤±0.01 mm，流道高度均匀度≤±0.，双极板翘曲<2mm。
三佳机械目前拥有厂房面积7000平方米，拥有高精度注塑、激光点焊、超声波清洗、气密性检测等双极板生产设备，年产双极板200万片； 高精度高速加工中心、线切割、电火花、磨床等磨料加工设备，年产双极板磨具50台套； 还拥有五轴加工中心、卧式加工中心、立式加工中心、钻、铣、攻丝中心等机械加工设备，用于电堆壳体、端板、集电板等零部件的加工。
博源新能源
博源新能源，全称“博源（广东）”，母公司是轴承行业龙头企业浙江金地精密。 依托母公司深厚的精密制造背景，博源新能源成立仅一年时间，就能够为客户提供多元化的燃料电池极板解决方案（包括设计和匹配）。 其推出的金属双极板可以满足10万次以上的高功率堆叠要求。
博源新能源金属双极板采用的涂层为非贵金属涂层，可有效降低生产成本； 该产品还具有接触内阻低、耐腐蚀性强等优点。 技术指标远远超过DOE要求的水平，耐用性可达-。
目前公司已组装金属双极板批量生产线，一期产能为每年60万至100万对（后续产能将逐步增加，预计达到600万对） 2023-2024年年产量），拥有高精度注塑、激光点焊、表面涂装、注塑密封、气密性检测等双极板生产设备。
广州宏丰
广州宏丰成立于1996年，专注于石墨相关产品的研发和生产。 2003年，公司开始进军燃料电池双极板领域，见证了中国氢燃料电池行业的发展壮大。 2004年，北京宏丰团队参与国家863项目“超越三号”石墨双极板的研制和生产； 2008年冬奥会和2010年世博会上，北京宏丰是国家氢燃料电池示范车唯一的石墨双极板供应商。
2021年，北京宏丰石墨双极板出货量将达到200万片，环比下降100%，其中海外业务占比80%，国外业务占比20%，产值达到1.2万元。 北京宏丰是国外最大的燃料电池极板制造商之一，年产能400万片，累计出货量500万片。
神舟碳业
山东神舟碳素是国内首家安装石墨双极板用于燃料电池电堆实车测试的国外制造商。 早在2001年就参与复旦大学“863”项目燃料电池石墨双极板指定供应商，是国外石墨双极板龙头企业。 作为专业生产石墨双极板的企业，神州炭素不仅是国外第一家研发生产燃料电池双极板的企业，而且在生物质能源逐渐成为燃料电池的大背景下，为燃料电池国产化做出了重要贡献。趋势。
山东神舟炭素制品有限公司于1998年开始研发和生产氢燃料电池石墨双极板，是国内第一家开始研发和生产氢燃料电池石墨双极板的企业。 经过20多年的经验积累和沉淀，中炭生产的石墨双极板具有优异的导电导热性能、耐腐蚀性强、阻气性能稳定持久、长度超薄、加工性能好等特点。
参考文章：燃料电池电动汽车设计
