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電堆是發(fā)生電物理反應(yīng)的場所，也是燃料電池動力系統(tǒng)的核心部分。 它是由多個單電板串聯(lián)堆疊而成。 雙極板和膜電極交替堆疊，單體之間嵌入密封件，前后端板壓緊并用螺釘緊固，形成燃料電池堆。

電堆工作時，氧氣和二氧化碳分別從入口引入，通過電堆內(nèi)二氧化碳主通道分配至各單體電池的雙極板，并通過雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，電物理是通過電極載體與催化劑接觸來進行的。 反應(yīng)。

圖1 氫燃料電池電堆組成

大多數(shù)美國乘用車制造商都開發(fā)自己的堆棧，例如福特、本田和現(xiàn)代，這些堆棧不向公眾開放。 還有一些乘用車公司使用合作伙伴堆棧來開發(fā)底盤，例如寶馬（使用美國巴拉德定制開發(fā)的堆棧）和寶馬（使用邁巴赫和福田合資公司 AFCC 的堆棧）。 由于空間限制，客車只能采用高壓金屬板電堆的技術(shù)方案。

目前，美國能夠獨立供應(yīng)車用燃料電池電堆的著名企業(yè)主要包括美國和德國。 法國和德國運營的燃料電池公交車大多采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)有上千年的歷史了。 萬公里、數(shù)百萬小時的實車運行測試表明，這兩家日本電池堆企業(yè)已經(jīng)具備了一定的生產(chǎn)能力，并且還與四川國宏成立了合資公司，生產(chǎn)9SSL電池堆。

據(jù)悉，目前仍有一些小型電堆開發(fā)企業(yè)，如美國、法國的電堆開發(fā)企業(yè)已在部分項目中得到應(yīng)用，目前產(chǎn)能較為有限。

只有上海鑫源電力和北京神力能夠獨立開發(fā)電堆，并在國外通過了多年實際應(yīng)用的檢驗。 上海鑫源動力采用金屬板和復(fù)合板的技術(shù)路線，與上汽合作開發(fā)斯柯達950轎車和上汽V80貨車。 北京神力成立于1998年，是國內(nèi)首家專業(yè)燃料電池電堆研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。 目前，兩家公司均已建成燃料電池電堆中試線，正處于從小批量向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段。 此外，一些新興的燃料電池電堆企業(yè)，如富西、北京恒普、武漢中宇等也開發(fā)了燃料電池電堆樣機和生產(chǎn)線，處于驗證階段。

表1 堆疊廠商及產(chǎn)品性能

1 個雙極板

雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)部件，起著均勻分布二氧化碳、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用。 它占整個燃料電池重量的60%和成本的20%左右。 它的性能直接影響電池的輸出。 功率和使用壽命。 目前雙極板材料主要有石墨雙極板和金屬雙極板。 福特、本田、現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車通常采用石墨雙極板。

圖2 燃料電池雙極板

石墨基雙極板的主流供應(yīng)商包括日本POCO、美國SHF、美國Bac2、日本日本、英國等。 石墨雙極板已實現(xiàn)國產(chǎn)化。 國內(nèi)廠家主要有北京神力、上海宏豐、杭州新能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強炭材、上海西力炭素等公司。

目前國內(nèi)金屬雙極板主要供應(yīng)商有日本、德國德納、德國、美國等。 國外尚處于研究和試制階段。 北京友格、上海智臻新能源、鑫源動力等企業(yè)已開發(fā)出車用燃料電池金屬雙極板，并嘗試應(yīng)用于電堆和整車。 復(fù)合雙極板的開發(fā)還比較少，只有上海鑫源電力、上海喜馬拉雅等國外企業(yè)參與，實際應(yīng)用尚未見報道。

表2 主要雙極板廠家及產(chǎn)品性能

2個膜電極

膜電極是電堆的核心，類似于筆記本中的CPU，決定了電堆的性能、壽命和成本的上限。 膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和二氧化碳擴散層（CO2擴散層）組成。 美國膜電極供應(yīng)商主要有3M、、戈爾、()、、、等。 福特、本田等乘用車企業(yè)均自主研發(fā)膜電極，但不對外銷售。 國產(chǎn)膜電極的性能已接近國際水平，但專業(yè)特性（如鉑負載、啟停、冷啟動、防反極等）與國際水平仍有一定差距。 量產(chǎn)工藝和武器有較大差異，美國已經(jīng)實現(xiàn)了Roll-to-Roll連續(xù)生產(chǎn)。 隨著國外市場的快速下滑，國外工程和質(zhì)量控制方面的差異有望進一步縮小。

圖3 膜電極示意圖及實物圖

國外專業(yè)膜電極供應(yīng)商主要是北京理工新能源，其產(chǎn)品大部分出口到日本公司，國外汽車應(yīng)用也不少。 上海鑫源還自主生產(chǎn)膜電極，主要供上汽底盤自用。 在國外，啟東陽光、南京東燕生物質(zhì)能源、武漢喜馬拉雅、蘇州慶東等企業(yè)也開發(fā)了膜電極。

表3 膜電極生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品性能

3 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心器件，主要以全氟磺酸膜為主，目前國產(chǎn)化進程正在加快。 目前質(zhì)子交換膜的主流趨勢是全氟磺酸增強復(fù)合膜。 質(zhì)子交換膜逐漸變薄，從幾十微米增加到十幾微米，增加質(zhì)子轉(zhuǎn)移的歐姆極化，以實現(xiàn)更高的性能。 國內(nèi)企業(yè)有日本戈爾、科慕（原杜邦）、3M、日本旭化成等，國外能批量供貨的企業(yè)只有廣東東岳。 四川東岳的膜已進入寶馬供應(yīng)鏈體系。

圖 4 質(zhì)子交換膜

表4 國外質(zhì)子交換膜基本參數(shù)

4催化劑

催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一。 目前燃料電池中常用的催化劑是Pt/C，它是Pt納米顆粒分散在碳粉載體上的負載型催化劑（如XC-72）。

圖5 Pt/C催化劑

由于資源和成本限制，目前Pt的用量已從10年前的0.8-1g/kW增加到現(xiàn)在的0.1-0.4g/kW。 近期（2020年）增加燃料電池電堆Pt用量的目標(biāo)是增加到0.1g/kW左右；

美國燃料電池催化劑生產(chǎn)商主要有美國、加拿大巴斯夫、臺灣、泰國日清紡、法國等； 國外有貴燕白金、上海喜馬拉雅、中科眾創(chuàng)、蘇州慶東電力、昆山陽光等。

表5 催化劑生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品性能

5二氧化碳擴散層

氣體破壞擴散層（GDL）位于湍流和膜電極之間，其主要功能是為參與反應(yīng)的二氧化碳和形成的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。 為此，GDL必須具有良好的機械硬度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性和高穩(wěn)定性。

圖6 二氧化碳擴散層（GDL）

目前，燃料電池廠商多采用美國西慶、加拿大、德國西格里等廠商的碳紙產(chǎn)品。 西青占據(jù)了很大的市場份額。 我國復(fù)寫紙的研發(fā)主要集中在中南大學(xué)、武漢工程大學(xué)等機構(gòu)。 在國外，四川天鳥擁有優(yōu)秀的碳纖維織物生產(chǎn)能力，但由于燃料電池市場太小，目前還沒有大規(guī)模生產(chǎn)的計劃。

表6 國內(nèi)外碳紙基本性能比較