堆栈分类

基本概念

电堆由多个单电池串联堆叠而成。双极板和膜电极交替堆叠。密封件嵌在电池之间。它们被前后端板压紧，然后用螺钉拧紧。，构成燃料电池堆。电堆工作时，氢气和氧气分别从入口引入，通过电堆主气体通道分配到各个单体电池的双极板，并通过双极板均匀分配到电极。电化学是通过电极支撑体和催化剂之间的接触来进行的。反应。

氢燃料电池电堆组成

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。双极板起到均匀分布气体、排水、导热、导电的作用。它们占整个燃料电池重量的 60% 和成本的 20% 左右。主要是石墨双极板和金属双极板。丰田Mirai、本田和现代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。

组装流程

燃料电池堆由端板、绝缘板、集流板和单体电池（包括双极板和MEA）组成，通过压力将它们组装在一起。

安装完最终的单体电池后，将上端板部分堆叠起来，并使用组装机施加设计的压力来压紧电堆；

在电堆进气歧管上安装气密性检测设备（这里采用氮气检测），按照检测流程进行气密性检测；

压紧力对燃料电池电堆的影响很大，电堆的性能和稳定性都会受到影响。较小的压紧力会导致双极板与GDL之间的接触面积和接触力不足，导致接触电阻增大，密封结构无法提供足够的密封效果，从而导致漏气和安全问题。同时，压缩力也会影响GDL层的孔隙率，从而影响GDL的透水性和透气性。较大的压力会导致GDL发生塑性变形，使质子交换膜在膨胀和收缩时更容易出现裂纹和针孔。它还会导致氟化物的加速产生，导致质子交换膜的寿命减少。橡胶垫片或O型圈的叠层密封结构常采用硅胶材料制成。虽然温度是影响其寿命的主要因素，但电堆内的高应力也会在一定程度上加速老化过程。密封材料老化的主要表现是其厚度会减少，这种现象反过来会影响压缩力。因此，在一些叠层组件的设计中，增加了自适应或可调节压缩力装置。

当GDL为碳纸或无纺布时，压缩引起的变形会改变流场结构，从而影响叠层的性能，尤其是弹性好的无纺布。

压缩力优化的主要焦点是如何平衡孔隙率和接触电阻，同时保证压缩力达到最小压缩力。

堆栈分类

根据双极板材料分为石墨板堆和金属板堆。各有各的优缺点，也有各自的应用空间。金属板堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振性、批量准备、冷启动等方面具有优势，但受限于金属板设计、加工制造的难度以及耐腐蚀性能的偏差（意味着寿命有限），目前国内能够提供高品质金属板叠层产品的本土企业并不多。

按冷却方式分为水冷电堆和风冷电堆。目前广泛应用于燃料电池汽车的液冷电堆如果说是温室里的高产作物的话，在各种外围设备的支持下可以实现极高的功率密度，满足高总功率的需求。那么空冷烟囱就像野外的农作物一样。它抛弃了外围设备，精简了整体系统，在环境缺乏可控性的情况下，直面外部环境的蹂躏（最多加个防尘罩过滤器）以追求性能。由于空气代替水作为电堆的冷却剂，减少了电堆系统的BOP（辅助设备）。为了有效带走电堆产生的热量，风冷电堆在空气流通方向一般不超过15厘米。厚的。空冷堆的流线型结构以废弃部分设备换取，直接降低了空冷堆的生产和维护成本。对氢能自行车、氢能摩托车、氢能无人机、氢能观光车、备用电源适应性强。轻量化应用的工况、成本、电池寿命、环保等要求。在5kW以下功率产品应用中，风冷电堆具有绝对优势。在5kW至10kW功率范围内，风冷电堆也更适合轻量化要求较高的应用。去年以来风冷动力堆发展迅速，永安兴、上海攀业、张家口氢能发展迅速。

竞争格局

大多数国外乘用车制造商都开发自己的电池堆，例如丰田、本田、现代等。也有少数乘用车公司使用合作伙伴的电池堆来开发发动机，例如奥迪（加拿大巴拉德电池堆）和梅赛德斯-奔驰（AFCC stack，与福田汽车的合资企业）。目前，能够独立供应车用燃料电池电堆的国外知名企业主要包括加拿大和中国。欧洲和美国运营的绝大多数燃料电池客车均采用这两家公司的石墨板电堆产品，这些产品已经通过了数千次测试。经过数千公里、数百万小时的实际车辆运行检验，这两家加拿大电堆公司已经具备了一定的生产能力，并且还与广东国宏成立了合资企业，生产9SSL电堆。 (.pdf())

大连鑫源动力和上海申力是国内较早自主研发燃料电池电堆的企业，并已投入实际应用多年。后来又出现了复斯、北氢、武汉中宇等新兴燃料电池电堆企业，电堆企业之间的竞争非常激烈，已经进入优胜劣汰阶段。政策明确提出要支持领导人。我们可以从三个方面对公司进行简单的判断：一是是否有批量装货业务；二是上下游资源能力是否强；三是是否入围城市群。汽车电堆企业是八大零部件中企业数量最多的品类，也是城市群应用中本土化程度更高的企业。此前有近20个城市群参与申报，但最终只有5个城市群入围。

2020年下半年开始，部分电堆企业开始报价低于2000元/kW。当然，报价上有很多限制，目前还很难实现。与两年前动力堆8000-10000元/kW的价格相比，应该说动力堆整体价格下降得非常快。但在规模尚未形成的情况下，低廉的价格对电堆原材料供应商的利润率构成了很大的挑战。

在政策引导下，大功率电堆是未来必然的发展趋势，尤其是在重卡领域。看来金属板叠占了大多数。然而，与石墨板相比电交换反应，金属板仍面临寿命挑战。目前来看，他们的说服力还不够。对于大批量应用，需要考虑后续维护问题。另外，在没有统一的测试标准的情况下，功率密度的数值只能作为参考。大多数国内企业仍然对标丰田Mirai一代。

进口堆栈公司也是强大的颠覆者。丰田Mirai第二代电堆已在国内上市销售。现代汽车还确认在广州建设工厂生产燃料电池系统。还有更多企业虎视眈眈。未来的市场必须通过产品来判断。可以预见，很多企业将被整合或淘汰，但我们也应该看到燃料电池行业的CATL时代。

据世银统计，2021年登记车辆累计装机量将达到219.33MW，较2020年（107.66MW）同比增长103.72%。从前5家堆栈企业的市场份额来看，进入堆栈行业的人越来越多，但大部分市场份额仍然被少数龙头企业占据。此外，前5名企业在2020年和2021年发生了明显变化，只有两家企业仍处于前5名。

技术趋势

对于电堆产品来说，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增加。 2021年，平均单堆功率一度突破120kW。一方面，新补贴政策指出，大于50kW的系统将有补贴，功率越大补贴系数越高；另一方面，氢能源产业中长期发展规划明确指出，重点推动氢燃料电池在中重型汽车上的应用。电堆功率越大，工作效率越高，更好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，大功率电堆将是未来的主要方向。

在大功率单堆的研制过程中，会面临很多技术难题。例如，在密封方面，整个电堆的水和气的多条密封路径的总长度达到了公里级别；堆叠模块高度集成的同时需要实现大功率热管理；确保堆栈整体的一致性；在重型卡车和工程机械等应用领域的恶劣环境耐受性。目前电堆基本实现国产化，但二次核心原材料仍依赖进口，特别是质子交换膜和气体扩散层。

参考：