从国际氢能及燃料电池展全面观察核心技术发-电堆篇

前言：高级检索分析师关婧如、刘胜在观展之后从储氢瓶、电堆、动力系统、空压机和金属双极板五个角度进行全面分析。本篇为电堆方面的梳理，电堆是燃料电池的核心部件，由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池是由双极板与膜电极组成的，若干个单体电池之间。若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

2019年日本燃料电池展会上，众多厂商展出了其电堆相关产品，本文将介绍参展的厂商及其相关产品介绍。

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（一）佛吉亚——燃料电池电堆

佛吉亚成立于1997年，主要致力于四大汽车产品：座椅系统、排放控制技术系统、内饰系统和外饰系统，已发展为全球领先的汽车零部件科技公司。通过优化氢气在燃料电池堆的储存和输出，佛吉亚一直在探索汽车产业改良燃料电池技术，使之产业化的方法。2019年，佛吉亚与米其林签署了战略协议，合资成立的Symbio公司，共同携手成为氢动力未来的领导者，并加快适应不同场景的高效燃料电池系统的市场推广。

在2019年日本国际氢能及燃料电池展会上，佛吉亚展出了其储氢罐和燃料电池电堆（电堆见图15），同时，佛吉亚正在与CEA（法国新能源与原子能委员会）展开合作，基于CEA在燃料电池电堆及核心部件的多年研究成果，佛吉亚将流体动力学和催化剂技术融入其中，致力于研发和量产高性能的燃料电池电堆。

图15 佛吉亚燃料电池电堆

（二）众宇动力

众宇动力系统科技有限公司（以下简称众宇动力）于2011年在武汉经济技术开发区成立，其核心技术为燃料电池动力系统，公司主营业务为燃料电池系统及氢能相关技术的研发、生产、销售。2012年，众宇动力开发了水冷和风冷两个电堆技术平台，经过几年的技术更新，在2018年，其35kW和41kW车用动力系统通过国家轿车质量监督检验中心的性能及高低温存储强检。

众宇动力在展会上展出了其燃料电池大巴运行的视频，并展出了多款燃料电池电堆产品，功率等级覆盖范围至50kW。

图16 众宇动力燃料电池大巴

图17 众宇动力40kW电堆

图18 众宇动力50kW电堆

在小型燃料电池系统方面，众宇动力提供T-Series氢燃料电池发电系统（以下简称T-Series，见图19），T-Series由燃料模块提供氢气，输送给燃料电池模块发电，辅助电源为系统提供启动用电，在系统启动之后，由燃料电池模块为负载供电。该系统由燃料电池模块(包含控制器)、CVM单电池电压监测模块(选配)、维护及电子负载模块(选配)组成。该小型燃料电池基于风冷平台开发，具有体积小、重量轻、效率高、噪音低，使用灵活、方便等优点（具体见图20），主要面向全球范围内的高校、科研院所、教学机构、以及燃料电池系统集成商，提供一系列不同功率（6种）的氢燃料电池发电系统，用户可从标准产品中直接选择，同时也可根据需求来定制系统功率。

众宇动力小型燃料电池电堆

图19 众宇动力 T-Series氢燃料电池发电系统

图20 T-Series优点

（三）Ballard Power

Ballard Power（以下简称巴拉德），1979年成立于加拿大，从1983年起，巴拉德就开始致力于PEM燃料电池的开发，并在2017年成为第一家为公共汽车提供超过1000万累积公里收入服务的燃料电池公司。巴拉德通过利用多年的燃料电池专业知识，为不同的客户提供创新的清洁能源解决方案，并努力成为全球领先的创新清洁能源解决方案供应商。

在燃料电池电堆方面，目前巴拉德提供FCgen®和FCvelocity®系列。巴拉德燃料电池堆产品的主要优势有：经过35年的产品开发，巴拉德已经完善了膜电极组件（膜电极为电堆的核心组件）；巴拉德可提供整套的系统设计和集成流程，方便客户利用；采用自动化和连续的制造流程来确保高质量和低成本；与一级汽车制造商的广泛合作推动了产品耐用性和性能的提升，同时迅速降低了产品成本；可选择风冷或液冷式燃料电池组，并为客户提供优化；耐用性高，已部署超过320MW的产品。

巴拉德的燃料电池电堆主要基于液冷和风冷两种方式，液冷燃料电池电堆包括FCvelocity®-9SSL和FCgen®-LCS；风冷燃料电池电堆包括FCgen®-1020ACS和，FCgen®-micro。下面分别进行介绍。

Ballard的液体冷却FCvelocity®-9SSL燃料电池电堆（见图21）设计可满足动力应用苛刻的驾驶循环耐用性要求。其主要特点有：可扩展功率输出（从4kW到21kW）；液冷系统可实现高耐用性；能快速、动态响应；理论寿命大于20,000小时。FCvelocity®-9SSL燃料电池电堆可应用到公交车、轻轨车辆和电动叉车中。

图21 FCvelocity®-9SSL燃料电池电堆

FCgen®-LCS（见图22）是巴拉德30年燃料电池研发经验的最新成果，也是巴拉德在汽车项目，催化剂和MEA研发活动中的最新创新以及在道路上收集超过1300万公里的现场数据的集中体现。巴拉德通过采用耐用的MEA、可重复使用的低成本碳板、紧凑的堆栈设计和优化的操作条件的来提高液冷电堆的长期性能以及降低其总周期寿命成本。FCgen®-LCS将被集成到巴拉德下一代HD动力模块产品中，并于2019年实现商业化。

图22 FCgen®-LCS燃料电池电堆

FCgen®-1020ACS空气冷却燃料电池电堆（见图23）能够进行动态响应、稳定可靠地运行以及具有简化系统设计的架构。其主要特点有：可扩展功率输出（从400W到3.3KW）；开放式阴极堆叠和自增湿MEA消除了加湿器、冷却液泵和散热器；稳定可靠的性能；理论寿命长达10,000小时。FCgen®-1020ACS适用于各种各样的低功率应用和混合动力系统的设计。

图23 FCgen®-1020ACS燃料电池电堆

FCgen®-micro空气冷却燃料电池电堆（见图24）是巴拉德提供的一种高度通用的低功率氢燃料电池电堆，特别适用于便携和娱乐应用，如笔记本电脑、手机充电器等。另外，巴拉德还提供了FCgen®-micro（NPMC），它含有非贵金属催化剂（NPMC），可以节省成本并提高对常见的空气污染物如S0x（硫氧化物）的耐受性。FCgen®-micro的主要特点有：额定功率30W；紧凑的堆叠设计；开放式阴极堆叠消除了加湿器，冷却液泵和散热器；提供铂或非贵金属催化剂阴极设计；产生干净的直流电源。

图24 FCgen®-micro燃料电池电堆

（四）江苏冰城氢能股份有限公司

江苏冰城氢能科技有限公司（以下简称冰城）成立于2014年。冰城依托清华大学的“973”项目“氢能的规模制备、贮运及相关燃料电池技术”基础研究成果和“863”计划“千瓦级全国产材料质子交换膜燃料电池的研制与开发”课题成果，建立了校企产学研长期合作关系。经清华大学专利实施许可和对公司技术、生产人员进行相关技术培训，冰城已经掌握了国产材料制备高性能部件和模块化电堆组装等多项关键技术，根据当前市场需求，特别是便携式备用电源、无人机动力电源等高能量密度特种电源的需求，与清华大学联合开发出了第二代轻型燃料电池发电机。2017年以来，冰城开始开辟国际市场，与多家工业无人机品牌达成战略合作。

在燃料电池电堆方面， 冰城现可提供规格分别为200W、500W、1000W、1500W和2000W的氢能电堆（见图25）。其中200W和500W的电堆可分为碳板电堆（采用燃料电池单元模块制备而成）和金属电堆（采用金属双极板与膜电极制备而成）；1000W、1500W和2000W的电堆为金属电堆。（具体产品规格见下表）

图25 冰城氢能电堆（从左到右，从上到下依次为200W、500W、1000W、1500W和2000W氢能电堆）

冰城氢能电堆的主要优势是：

1) 即插即用：冰城将所有复杂工序留给自己，把最简化的应用方式提供给客户，实现氢能动力电源的即插即用。

2) 清量小型：冰城的产品相较于同类产品而言，在满足同等功率需求的前提下，可以实现产品更加的轻量化和小型化。

3) 安全稳定：冰城拥有用于测试验证的完善实验体系，凭借先进的制造能力，和7道测试工序层层验证，能够快速生产安全、可靠并经过严格测试的的氢能动力电源。

（五）新源动力

新源动力股份有限公司（以下简称新源动力）成立于2001年，是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业，集燃料电池科研开发、成果转化、系统集成、标准制定、人才培养，产业化实践于一体。同时，新源动力还是国家燃料电池技术标准制定的副主任委员单位，“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”承建单位，现已初步完成产业化布局和15000kW/年的产能建设。

关于燃料电池电堆方面，新源动力已研发出第二代和第三代车用质子交换膜燃料电池电堆模块。HYMOD-36（见图26）是第二代车用质子交换膜燃料电池电堆模块（具体参数见下图），其技术性能卓越，并已通过国内多家大型汽车制造企业多种车型的装车实验验证，装车数量约500台，累计运行里程超过500万公里。

图26 新源动力 HYMOD-36燃料电池电堆

HYMOD-70（见图27）是第三代车用质子交换膜燃料电池电堆模块（具体参数见下图），采用薄金属双极板制得，其技术性能更加卓越，适用于乘用车和商用车的应用。HYMOD-70的产品优势有：结构紧凑；高可靠性和耐久性；启动速度快；环境适应性强；易于系统集成。

图27 新源动力HYMOD-70燃料电池电堆

（六）清能燃料电池集团

清能燃料电池集团（以下简称清能）于2003年成立，目前在全世界有8个子公司，15个办事处。清能立足于自主开发的覆盖燃料电池核心材料到电堆系统的完整技术平台，显著降低商业化应用成本，以此来改变燃料电池行业的格局。清能从小巧简易的燃料电池产品开始起步，逐步推出了更大更复杂的燃料电池系统，其中包括了100KW以上的发电系统及集成甲醇重整装置的解决方案。清能燃料电池的技术平台主要包含三个主要部分：质子交换膜燃料电池系统（燃料电池电堆）以及材料；氢气发生（甲醇重整、电解、化学制氢）；氢气储存和压力相关设备。

目前，清能有H、T、XR三个系列的燃料电池电堆。H系列燃料电池电堆（见图28）是一种空冷电堆，其特点有：是一种高功率密度燃料电池；重量轻、体积小、便于安装和移动；启动速度快、响应时间短；无噪声，结构简单，可靠性高；环境适应好，适应各种天气变化；控制策略简单，易于整合到各类应用系统中。

图28 清能H系列燃料电池电堆

T系列燃料电池电堆（见图29）是一种燃料电池备用电源解决方案，其特点有：系统可以提供稳定、持续的电源；工作环境要求低,适用多种应用场合；系统可连续长时间发电，无需停机保养，维护简单；燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施；提供提供完备的远程系统监测和管理功能；运行无噪音、环保；维护成本低、燃料消耗少等。T系列燃料电池电堆可应用于电信基站、远程监控、铁路信号灯、数据中心以及地质勘测等场景。

图29 清能 T系列燃料电池电堆

XR系列燃料电池电堆（见图30）能达到59%的高效率，系统功率冗余大，氢气换气频率和时间大大减少。

图30 清能 XR系列燃料电池电堆

总结：燃料电池电堆向着小型化、大功率、高功率密度、高效率方向发展，目前国内电堆相关的企业正在努力赶超国外燃料电池企业，并且已经积累了很多装车运行的经验。受到国家补贴政策影响，目前燃料电池电堆主流功率逐渐提高，各厂商都在积极研发更大功率的燃料电池电堆，这对燃料电池其他零部件供应商也提出了更高的要求。