电堆

基本概念

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成，将双极板与膜电极交替叠合，各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。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

膜电极决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层（气体扩散层）组成。双极板起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池60%的重量和～20%的成本，主要是石墨双极板和金属双极板，丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，而商用车一般采用石墨双极板。

组装工艺

燃料电池电堆由端板、绝缘板、集流板、单电池（包含双极板和MEA）组成，他们之间通过压紧力被组装到一起。

安装好最后的单电池后，叠上上端板部分，使用组装机施加设计好的压力将电堆压紧；

向电堆的进气歧管安装好气密性测试设备（此处用氮气测试），按照测试流程进行气密性检测；

压紧力对于燃料电池电堆来说影响重大，电堆的性能和稳定性会受其影响。较小的压紧力会导致双极板与GDL之间的接触面积与接触力不够，导致接触电阻上升，密封结构无法起到足够的密封作用，会导致漏气从而引发安全问题。同时压紧力还会影响GDL层的孔隙率，进而影响GDL的通水和通气性。较大的压紧力会导致GDL产生塑性形变，使质子交换膜更容易在膨胀收缩过程中出现裂纹和针孔，还会导致氟化物的加速产生，导致质子交换膜寿命减少。胶垫或者O圈的电堆密封结构经常使用硅胶材料制成，虽然温度是对其寿命的主要影响因素，但是像电堆中这样的高应力也会一定程度上加速这个老化过程。老化的密封材料主要表现是其厚度会下降，而这个现象会反过来影响压缩力，因此在有些电堆组装的设计中，加入了自适应或者可调节压缩力的装置。

GDL是碳纸或者无纺布时，当受到压缩发生的形变会使流场结构受到改变，从而对电堆性能产生影响，尤其是有较好弹性的无纺布。

压紧力优化主要的焦点在于在保证压紧力达到最小压紧力的前提下，如何平衡孔隙率和接触电阻。

电堆分类

按照双极板材料分为石墨板电堆、金属板电堆两类，有各自的优缺点，也有各自的应用空间。金属板电堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振、批量制备、冷启动等方面具备优势，但囿于金属板设计与加工制造难度大、抗腐蚀性能偏差（意味着寿命受限），目前国内能够提供优质金属板电堆产品的本土企业并不多。

按照冷却方式分为水冷电堆和空冷电堆。如果说目前燃料电池车辆广泛采用的液冷电堆是温室里的高产作物，可以在各种外围设备的加持下达到极高的功率密度，以满足高总功率的需求。那么空冷电堆就像野外的农作物，舍弃外围设备，精简系统整体，直面（顶多加个防尘罩过滤器）外界环境摧残，以追求环境缺乏可控性时的性能。由于空气取代水作为电堆的冷却剂，减少了电堆系统的BOP(辅助设备)，为了能有效地把电堆产生的热量带走，空冷电堆在空气流通的方向一般不会超过15厘米厚。空冷堆舍弃部分设备换来的精简结构直接降低了空冷堆的生产成本和维护成本，高度适配以氢能自行车、氢能摩托车、氢能无人机、氢能观光车、备用电源为代表的轻量化应用的工况、成本、续航、环保等需求。在5kW以下的功率产品应用上，空冷电堆占据绝对优势，5kW至10kW的功率范围内，对于轻量化要求较高的应用，空冷电堆也更为合适。空冷电堆自去年起发展迅速，永安行、上海攀业、张家口氢能走的较快。

竞争格局

国外乘用车厂大多自行开发电堆，例如丰田、本田、现代等。也有少数采用合作伙伴的电堆来开发发动机的乘用车企业，例如奥迪（加拿大巴拉德电堆）和奔驰（与福田的合资公司AFCC电堆）。目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品，已经经过了数千万公里、数百万小时的实车运营考验，这两家加拿大电堆企业都已经具备了一定产能，Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产9SSL电堆。（ fcvelocity9ssl.pdf (ballard.com) ）

国内早期独立自主开发电堆并经过多年实际应用有大连新源动力和上海神力，后有新兴的燃料电池电堆企业，例如弗尔塞、北京氢璞、武汉众宇等。电堆企业的竞争非常激烈，已经进入优胜劣汰环节，政策明确了要扶持龙头，可以从三个方面对企业做简单判断，一是是否有批量装车运营，二是上下游资源能力是否强大，三是是否入围城市群。车用电堆企业是八大零部件中企业最多的一类，也是在城市群申报中各地落地最多的，之前有近20个城市群参与申报，最终只有5个城市群入围。

2020年下半年开始部分电堆企业开始报价到2000元/kW以下，当然报价里面的限制条件比较多，目前还是很难达到的。相比与两年前8000-10000元/kW的电堆价格，应该说电堆整体价格下降速度非常快。但在规模化尚未形成的条件下，低价对电堆原材料供应商的利润空间造成较大挑战。

顺应政策的导向，未来大功率的电堆是必然发展趋势，特别是在重卡领域应用。看上去金属板的电堆占了多数，但相比于石墨板，金属板还面临着寿命的挑战，目前说服力还稍显不足，大批量应用需要考虑后续维保问题。另外，功率密度的数值，在缺乏统一检测标准下，也只能做下参考，国内多数企业对标的还是丰田Mirai一代。

进口的电堆企业也是强力搅局者，丰田的Mirai二代电堆已推出并在国内销售了，现代汽车也确定在广州建厂生产燃料电池系统了，还有更多的企业虎视眈眈。未来的市场一定是看产品说话，可以预计，很多企业会被整合或者淘汰，但应该也能看到燃料电池界的宁德时代。

据势银统计，2021年电堆累计上牌车辆装机量达到219.33MW，相对于2020年（107.66MW）同比增长了103.72%。从Top5电堆企业市占率来看，电堆产业入局者增多，但大部分市场份额仍被少数头部企业占据。另外，20年和21年top5企业发生明显变动，仅有两家企业仍稳居top5。

技术趋势

对于电堆产品而言，降低氢耗、可靠性、零故障是主要关注点。

燃料电池电堆装机功率逐年升高，2021年平均单堆功率一度超过120kW，一方面补贴新政中指出对大于50kW的系统有补贴，且功率越高补贴系数越高；另一方面，氢能产业发展中长期规划中明确指出重点推进氢燃料电池中重型车辆应用，电堆功率越大工作效率越高，更加匹配下游中重型车辆的动力需求。因此，从发展趋势可以预见大功率电堆将会是未来的主推方向。

而在大功率单堆开发过程中会面临诸多技术问题。例如，在密封方面，整堆水气的多种密封路径总长度达到公里级；在电堆模块高集成化的同时需要实现大功率热管理；保证电堆单片的一致性；在重卡和工程机械等应用领域的苛刻环境中耐受性等。目前，电堆基本实现国产化，但二级核心原材料还存在依赖进口的现象，尤其是质子交换膜和气体扩散层。

参考资料：