氢听剧场：齐志刚——《燃料电池金属板电堆的发展现状》

燃料电池金属板电堆的发展现状

Developmental status of stacks

using metallic bipolar plates

各位朋友各位专家，下午好，非常感谢组委会给我这个机会向大家汇报金属板电堆发展现状。

包括以下几个方面，首先报告一下极板。极板是电堆中的核心部件，起着非常重要的作用，要求流场设计必须合理，没有分子大小的针眼，具备良好的强度和抗腐蚀性能，还要导热和导电。

制造极板材料一共有两种，一种是石墨，一种是金属。石墨板一般从石墨粉或石墨毡开始，经过一系列步骤后制成双极板。金属极板有成型、清洗、焊接、镀层四个步骤，目前更适用于低成本批量化生产。   

金属极板一般采用0.1毫米厚的板材。如果采用不锈钢的话，流道的深度可以做到0.4毫米，整个双极板，阴极板加阳极板，整个厚度接近1毫米。在同样流场尺寸的情况下，常规石墨板厚度达2毫米。所以同一个电堆，如果把石墨板用金属板代替，它的体积可以减少将近50%。在不考虑端板和冷却液的情况下，石墨板电堆与不锈钢板电堆重量比是1.65，热熔比是2.34。

这个表对比了金属板和石墨板材的特性。金属板最大的劣势就是它的抗腐蚀性能比较差，所以必须有防腐处理或防腐镀层。其他方面，金属板有明显优势。关于耐腐蚀性能，如果有良好的镀层它可以解决，但是对于石墨板来说，它的阻气性、脆性、抗振性比较差，是难以解决的问题。所以从板材来看，如果有良好的镀层，金属板电堆的寿命不一定比石墨板电堆寿命短。

金属极板要满足一些技术指标，比如说要耐腐蚀，要有足够好的电导率，以及镀层要有比较好的附着力，等等。所列这些指标国内外都已经实现了。

采用板材最多是不锈钢，因为不锈钢延展性好、成本低、化学稳定性好以及使用于批量化生产的特点。其他板材现在用到的是钛合金，钛合金最大的优点是比重小，电堆重量更轻，缺陷是成本比较高，相当于不锈钢的几倍，延展性不如不锈钢，所以流道深度做得稍微浅一点。成型方式主要是冲压和液压两种方式，辊扎方式业界也在尝试。

镀层材料主要贵金属，如金，金属化合物，如碳化物、氮化物，以及炭类，如石墨，或者是这几种镀层的多层复合。镀层最常是物理沉积方法。在设计制作极板时一定要避免可能出现的问题，比如说有暴露点，镀层不致密，镀层附着力差，等。如果解决了这些问题，极板就不会轻易出现严重点腐蚀。点腐蚀不出现的话，金属板的寿命就会非常长。

这是一种最常见的金属极板的结构方式，中间红框是反应区，跟膜电极活性区相对应，其两边是导流区，把流体从公共腔室有效均匀导入或导出反应区，使流体在每一根流道的流速相近、压力降相近。但是导流区压缩了有效面积占整个极板的比例，所以这个导流区尺寸要尽量做得小，才能做到有效面积占比大。

这是另外一种结构设计方式，代表企业是现代。特点是没有导流区，所以有效面积占比大。它的缺陷是在流体分布不均匀，可能影响性能和寿命。

这是另外一种结构方式，代表企业是丰田。它的特点是极板四周都有公共腔室，空气的流动方向和水及氢气的流动方向交叉。这种方式最大的特点是四周都有公共腔室，所以这种形状个人认为有效面积占比不会很大。比如说丰田极板有效面积只占整个板的38%，是非常低的。

设计和制造金属极板一定要考虑它的功能性、有效面积的占比，可加工性、耐久性和成本。可加工性跟大家简单说一下，你设计得再好，但是如果加工不出来，也是不行的，所以要跟加工制作水平相匹配。金属极板设计制造有特殊的难点，一个是，阴极板和阳极板关联度是非常高的，必须同时考虑。同时冷却流场就是由阴、阳级流场的背面所组成的，所以它不能单独设计。就是说，阴极流场、阳极流场与水流场必须同时考虑，任何一点改变，两块板必须同时进行改变。同时还要考虑板材的变形，还有要考虑板材的特点和加工难度，不能有分子大小的针眼。

阴极板、阳极板密封到一起成双极板最主要的方式是激光焊接，激光焊接过程中要考虑所列的这些主要参数。其他方式包括两块板粘接在一起，或者通过密封圈的方式。通过激光焊接的话，焊线宽度可以控制在0.1毫米左右。

下面给大家汇报一下金属板电堆的进展情况，大家知道最近发布的以奖带补新政，对电堆等提出了更高的要求，比方说启动温度要更低，电堆功率密度要更高。但是非常遗憾的是，这个新政有一些问题，执行的过程中我个人认为会带来各种各样的问题。首先它没有对电堆发电效率进行限制，也没有明确电堆的体积是怎么算的，它也没有对反应条件进行限制。大家知道，燃料电池峰值功率一般出现在0.45伏， 0.45伏时的功率比0.7V时的功率多出45%。大家看这个电堆示意图，现在国内有单位用端板内的体积来算电堆的体积，也有人用全尺寸，包括端板和紧固件。同时，既是同一种算法，排水体积与六个面内的体积还有差别。所以由于功率、体积算法不定，同一个电堆所报出的数可能有一倍的差别。关于启动这一块，它没有提无助冷启动。那启动之前先加热，这算不算是冷启动？所以这里有严重漏洞和欠缺。

拿我们公司一代电堆的参数给大家说一下，比方说0.7伏，低入口气压时功率比高气压时功率低大概19%。如果你再看0.60伏高气压时的66.4千瓦跟0.7伏低气压时的41.6千瓦，差60%。所以同一个电堆，电压点不一样，反应条件不一样，输出功率差别非常大。而且大家知道0.6V的值还不是峰值，峰值在0.45左右。

金属板电堆因为它可以做到比较大的功率，热熔比较小，所以它符合新政要求没有问题。另外，新政会对金属板电堆起到重要的推动作用。如果真正想有效提高电堆功率密度，大家可以参考右边的这些方法。

国内外涉及金属板及金属板电堆企业非常少，现在我国涉及到这方面企业已经超过国外所有企业。国内的企业，有的企业专注于只做一项，也有企业是从极板成型一直到电堆组装都做。每个公司都有自己的策略。

这是现在国内根据报道的一些主要结果，电堆功率从30千瓦到200千瓦，功率密度从3千瓦/升到超过7000瓦/升。

我再强调一些，这些来源于各种报告，细节和真实性不清楚，所以仅供大家参考。但是有一点可以确实，功率越大的电堆越容易做到更高的功率密度。

大家可以从这个表看出，基本上电堆功率越大功率密度越高的这么一个规律。但是由于运行条件、电压和电堆体积的计算方法的缺失，这些数据有缺陷，仅供大家参考。

国内的电堆到底是什么样的状态，根据一些报道和我们公司的数据，可以说，单堆额定功率超过100千瓦是没有问题，额度功率大于3.0千瓦/升没问题，膜电极功率密度大于0.9瓦每平方厘米是做得到的，零下30度能启动，而且已经装车使用。这些指标已经进入国际先进水平行列，但是寿命数据不多。

国外的报道非常少，有一家公司完成了16000小时的测试，衰减非常小，现在围绕30000个小时耐久性进行研发工作。

目前极板是金属板电堆竞争的核心，它的品质决定了电堆的性能和寿命。

总体的情况已经给大家介绍，关于我们公司的情况我就不详细介绍了。这是一些加工、测试、检测设备，在北京地区测试能力名列前茅。这是我们开发的一些产品。

这是我们一代改进极板电堆的性能曲线，我觉得这可以代表业界国内外性能水平。0.65伏的时候可以达到1.5安每平方厘米，功率密度达到0.97瓦每平方厘米，而且是氢气和空气压力比较低的情况下。

我们去年用空冷电堆创造了331分钟的多旋翼燃料电池无人机飞行记录。这是我们大同的生产线。请工作人员给放一下视频。

这是系统。这是我们的三款燃料电池车。这是测试台。

最后是一个小结。极板是电堆中的核心部件，尚未成为大众化商品。金属极板流场和品质决定金属板电堆的竞争力。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，一些性能指标已达到世界先进水平。新研及国内若干家企业已经基本掌握了金属极板流道设计、成型、清洗、焊接、镀层、组堆等技术和工艺。国内已具有不锈钢和钛合金超薄板材批量生产能力。

非常感谢大家。