深度解析石墨雙極板市場現(xiàn)狀

雙極板（又稱隔板）的功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路。在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導(dǎo)阻力，深度解析石墨雙極板市場現(xiàn)狀。

? ? 石墨材料制備的雙極板具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性等特點，且尺寸精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、流道易于細(xì)密化、材料化學(xué)穩(wěn)定性高，氫氣/空氣/冷劑三腔結(jié)構(gòu)還可以獨立設(shè)計，從而有壽命與可靠性優(yōu)勢，可以完全滿足當(dāng)前階段大巴車、物流車的車用要求。

? ? 但受制于機(jī)械性能（相對于其它類型的雙極板）較差、脆性較大、易折斷、機(jī)加工困難等問題，導(dǎo)致其成本較高。現(xiàn)階段每塊500cm2石墨雙極板加工費大于100美元，占雙極板費用的80%以上。石墨板電堆在比功率密度、量產(chǎn)成本、低溫啟動等方面也無法滿足乘用車的需求，目前只在部分商用車領(lǐng)域應(yīng)用，而且使用地域受限。

? ? 國內(nèi)多數(shù)企業(yè)均以石墨制品起家，真正進(jìn)入燃料電池領(lǐng)域時間集中在2006年至2011年之間，之后便乘著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的東風(fēng)在市場上占據(jù)一定的份額。在國家政策強(qiáng)力扶持和技術(shù)的高速發(fā)展下，部分國內(nèi)企業(yè)，如上海弘楓、中國神奇電碳等公司的產(chǎn)品性能已達(dá)DOE(2015)性能指標(biāo)水平。

? ? 現(xiàn)階段，我國的石墨雙極板已可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，在技術(shù)層面及商業(yè)化層面都相對成熟，但是與國外大部分廠商可以直接采用壓鑄成型或膨脹石墨成型的生產(chǎn)方式相比，國內(nèi)生產(chǎn)商大多采用人工石墨機(jī)械加工的方式實現(xiàn)，生產(chǎn)技術(shù)還有待提高。如若繼續(xù)采用機(jī)械加工的方式，石墨雙極板的成本費用實難降低，不易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

石墨雙極板企業(yè)應(yīng)降本提質(zhì)，搶得先機(jī)

在燃料電池核心部件國產(chǎn)化進(jìn)程中，石墨雙極板是突破最快的核心部件之一。國產(chǎn)石墨雙極板已經(jīng)擁有優(yōu)異的性能及廣泛的實際應(yīng)用。這一成果是國內(nèi)一批石墨雙極板高新技術(shù)企業(yè)持續(xù)努力耕耘的結(jié)果。石墨雙極板企業(yè)應(yīng)降本提質(zhì)，搶得先機(jī)。

? ? 石墨雙極板憑借良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性等特點，仍是當(dāng)前國內(nèi)燃料電池應(yīng)用主流，作為主要供應(yīng)商之一，自然能夠享受市場發(fā)展所帶來的紅利；二是得益于經(jīng)過近幾年大量投入研發(fā)、生產(chǎn)及改進(jìn)，使其在石墨雙極板的各項重要性能指標(biāo)有了明顯提升，生產(chǎn)加工工藝方面現(xiàn)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先，同時價格優(yōu)勢顯著。

? ? 當(dāng)前在激烈的競爭當(dāng)中，“降本提質(zhì)”已經(jīng)成為當(dāng)前燃料電池企業(yè)最為關(guān)切的核心議題。作為燃料電池核心部件之一，雙極板的降本對于燃料電池很有意義。采取了哪些措施實現(xiàn)降本？

? ? “其實CNC機(jī)加工石墨雙極板，六成占比在加工成本，加工成本中刀具成本約占六至七成，以我們二十多年的石墨機(jī)加工經(jīng)驗，對降本非常有信心，今年我們對合作商報價，整體下降50%左右，隨著后期市場訂單的增加，預(yù)估成本還將有30%左右下降空間。”

? ? 調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，雙極板占整個燃料電池重量的80%、成本的24%。石墨雙極板的高性價比優(yōu)勢，將助其在燃料電池汽車示范運營的推進(jìn)中搶得先機(jī)，前程遠(yuǎn)大。

石墨雙極板與金屬雙極板到底孰優(yōu)孰劣

雙極板的主要功能是提供氣體流動通道，防止電池氣室內(nèi)的氫氣和氧氣串通，在陰陽兩極之間串聯(lián)建立電流路徑。在保持一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的空氣阻力的前提下，雙極板的厚度應(yīng)盡量薄，以降低電流和熱的導(dǎo)通電阻。

　　雙極板的制作要求非常高，要具有高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)、耐腐蝕、低透氣率、重量輕、生產(chǎn)成本低等特點，目前主要有石墨雙極板和金屬雙極板等。下面，我們來看看石墨雙極板與金屬雙極板的比較。

　　石墨雙極板

　　石墨雙極板：一般采用石墨粉、粉碎的焦碳與可石墨化的樹脂或瀝青混合，在石墨化爐中嚴(yán)格按照一定的升溫程序，石墨化，再經(jīng)切割和研磨，制備厚度為2～5mm的石墨板，再通過機(jī)加工共用孔道和用電腦刻繪機(jī)在其表面刻繪需要的流場。具有材料密度低、質(zhì)輕、耐腐蝕性能佳、導(dǎo)電性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與膜電極(MEA)之間接觸電阻小等優(yōu)點，成為較早的被雙極板使用的材料。

　　同時，石墨雙極板脆性物質(zhì)，易造成組裝難度，厚度不易做薄;一般燒結(jié)成多孔性板，需添加添加物;石墨化時間長，機(jī)械加工難，價格昂貴，制備工藝復(fù)雜、耗時長、費用高，難以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，其可制造性、阻氣性和耐久性遠(yuǎn)不如金屬性材料。

　　由于石墨是熱和電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點，用于制作雙極板具有先天獨特的優(yōu)勢。同時在耐久性方面，石墨雙極板有先天優(yōu)勢。但同時由于批量化生產(chǎn)問題，以及在超薄方面實現(xiàn)起來比較有難度，因此相較于金屬雙極板，石墨雙極板的劣勢也同樣明顯。

　　金屬雙極板

　　與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有與之類似的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，但金屬雙極板具有更好的機(jī)械強(qiáng)度、阻氣能力和抗沖擊能力，因此，金屬雙極板能夠做到超薄，大幅提升比功率密度。

　　同時，金屬雙極板機(jī)械加工性強(qiáng)、制作工序較少、可制作超薄雙極板甚至可小于1mm，并且量產(chǎn)工藝成熟，大幅降低的熱容使金屬板具備了更強(qiáng)的低溫啟動能力，并且可以大幅降低量產(chǎn)成本，因此，金屬雙極板備受行業(yè)內(nèi)關(guān)注。

石墨雙極板技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景

在燃料電池核心部件國產(chǎn)化進(jìn)程中，輕量化，高功率密度下，石墨雙極板是突破最快及最關(guān)鍵的核心部件之一。國產(chǎn)石墨雙極板已經(jīng)擁有優(yōu)異的性能及廣泛的實際應(yīng)用。石墨雙極板技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景。

? ? 雙極板是PEMFC的核心零部件之一，其主要作用是通過表面的流場運輸氣體，收集、傳導(dǎo)反應(yīng)生成的電流、熱量和水。根據(jù)不同的材料類型，其重量約占PEMFCs電堆的60%-80%，成本占比約為30%。根據(jù)雙極板的功能需求，同時考慮PEMFC電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境為酸性，因此要求雙極板對電導(dǎo)率、氣密性、機(jī)械性能、耐腐蝕性等有較高的要求。

? ? 目前雙極板根據(jù)材料主要分為石墨板、復(fù)合板、金屬板三類，石墨雙極板是目前國內(nèi)PEMFC最常用的雙極板。石墨雙極板包括硬石墨板和柔性石墨板，硬石墨板的應(yīng)用在啟程上的應(yīng)用受到一定的限制。

? ? 柔性石墨板是應(yīng)用的一個方向，柔性石墨板以膨脹石墨為主要材料，經(jīng)過壓制和注膠制成。膨脹石墨板為蓬松的多孔狀態(tài),在雙極板面內(nèi)的石墨的片層結(jié)構(gòu)具有較高的電導(dǎo)。

分辨石墨雙極板的質(zhì)量好壞，應(yīng)該從密度這方面入手

雙極板（又稱隔板）的功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路。在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導(dǎo)阻力。分辨石墨雙極板的質(zhì)量好壞，應(yīng)該從密度這方面入手。

? ? 其實許多廠家運用石墨雙極板十幾年，都沒有分辨出石墨雙極板板的質(zhì)量是如何斷定的，有的說是顆粒，有的說是配方，其實這些都不準(zhǔn)。說來怎么分辨石墨雙極板的好壞，要害只有一個，那就是密度。

? ? 1、耐摩職業(yè)中，石墨板主要用于墊板形式，起到一個潤滑效果，在這里石墨板的密度就大大顯現(xiàn)出來了，密度小的石墨板物理結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密，在運用中簡單掉落，外表消耗過快，用1.56的石墨板和密度1.7的石墨板運用壽命可相隔3個月，這其中的價格我們都會核算吧。

? ? 2、在電鍍、電解職業(yè)中，許多廠家僅僅看中石墨雙極板的導(dǎo)電性及價格，有時卻疏忽了重要的密度，由于密度小的話，外表簡單呈現(xiàn)氣孔，在電解液中簡單呈現(xiàn)浸透的現(xiàn)象，導(dǎo)致石墨板氧化掉落，導(dǎo)致運用壽命大大減短。

石墨雙極板的連續(xù)生產(chǎn)工藝應(yīng)該進(jìn)一步了解

雙極板（又稱隔板）的功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路。在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導(dǎo)阻力。石墨雙極板的連續(xù)生產(chǎn)工藝應(yīng)該進(jìn)一步了解。

? ? 石墨雙極板的連續(xù)化生產(chǎn)加工主要分為兩大類，一類是對膨脹石墨復(fù)合材料的板材模壓成型工藝，另一類是對石墨粉樹脂符合材料的模壓/注射成型工藝。

? ? 類別一：膨脹石墨板材經(jīng)過砑光、成型和去料后再進(jìn)入浸滲樹脂、硫化、粘接和密封硫化工藝，最后形成雙極板產(chǎn)品。

? ? 目前該工藝有如下特點：

? ? 能夠很好滿足極板的外形、表面幾何輪廓以及機(jī)械尺寸的要求；

? ? 由于膨脹石墨材料的連續(xù)性，具有較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性；

? ? 滿足需要的表面疏水特性需要通過對工藝和材料協(xié)同處理來解決；

? ? 如果采用滾壓工藝，其設(shè)計精度和工藝精度都要進(jìn)一步改善；

? ? 合模壓力、樹脂比例以及表面接觸電阻的后處理是影響極板性能的關(guān)鍵；

? ? 類別二：首先對石墨粉與樹脂的混合材料進(jìn)行制備，然后對混合材料和模具進(jìn)行模壓前處理，接著進(jìn)行模壓和硫化，最后進(jìn)行粘接及密封固化并形成產(chǎn)品。

? ? 目前該工藝有如下特點：

? ? 1.能夠很好滿足極板的外形、表面幾何輪廓以及機(jī)械尺寸的要求；

? ? 2.由于混合顆粒阻斷石墨材料連續(xù)性，高電流下導(dǎo)電率要進(jìn)一步提升；

? ? 3.滿足需要表面疏水特性需要通過對工藝和材料協(xié)同處理來解決；

? ? 4.樹脂的配比和選型、硫化時間及表面接觸電阻的后處理是影響極板性能的關(guān)鍵

? ? 從目前氫能行業(yè)發(fā)展來看極板的生產(chǎn)工藝進(jìn)步很快，傳統(tǒng)石墨產(chǎn)業(yè)和相關(guān)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型為燃料電池雙極板的生產(chǎn)提供了很大助力。

常用的膨脹石墨雙極板制備工藝流程

天然石墨材料膨化處理-柔性石墨板制備-模壓柔性石墨板制備單極板-真空浸漬樹脂處理-熱壓整平極板-絲網(wǎng)印刷涂膠-雙極板粘接處理-極板切邊。其中柔性石墨板的制備、真空壓制、浸漬處理是整個制備過程核心。常用的膨脹石墨雙極板制備工藝流程。

? ? ①膨脹石墨板制備過程

? ? 采用天然鱗片石墨材料制備，通過強(qiáng)酸氧化在石墨層間形成化合物，保留石墨原有連續(xù)相的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了石墨層間距離，改變原有石墨的某些特性，形成一種具有優(yōu)良柔軟性和回彈性的物質(zhì)。

? ? 制備膨脹石墨的關(guān)鍵在于層間化合物的生成，而在天然鱗片石墨在化學(xué)氧化過程中，石墨邊緣區(qū)域和層間區(qū)域是同時進(jìn)行的。前期把原料中多余的礦物質(zhì)剔除，保證足夠的純度，雜質(zhì)會引起石墨晶格缺陷和位錯等的情況出現(xiàn)，影響導(dǎo)電性。

? ? 一般石墨粒度太大，表現(xiàn)出層間化合物形成不夠充分；石墨粒度過小將會導(dǎo)致石墨邊緣氧化過快，不利于層間化合物的形成，經(jīng)過篩選的石墨粒度目數(shù)通常在80~200目左右。

? ? 在將插層劑與鱗片石墨按比例混合均勻且反應(yīng)充分，通過插層劑控制層間化合物的生成，減少邊緣化合物的生成，進(jìn)而達(dá)到膨脹作用。常用的插層劑有硝酸、硫酸、高錳酸鉀等。待石墨氧化反應(yīng)充分后，經(jīng)過脫酸、水洗、干燥等工序，將殘余的插層劑去除干凈，同時添加相應(yīng)的抗氧化劑，防止石墨在高溫條件下氧化。將干燥后的石墨放置800~1200℃下進(jìn)行高溫膨化，使石墨層間化合物快速分解，并利用分解產(chǎn)生的推力將層間距拉大，最終形狀蠕蟲狀的石墨條，長度可達(dá)1~2cm。

? ? ②真空壓制

? ? 將低密度柔性石墨板壓制成高密度板，并印上相應(yīng)的流道結(jié)構(gòu)，這是壓制成型的主要內(nèi)容。柔性石墨在低密度狀態(tài)呈蓬松狀態(tài)，內(nèi)部存在很多間隙的空洞且充滿了氣體。在壓制的過程中，為了盡可能減少因內(nèi)部氣體聚集而造成的鼓包現(xiàn)象，應(yīng)盡可能在真空狀態(tài)下進(jìn)行壓制成型。

? ? ③浸漬改性處理

? ? 當(dāng)柔性石墨板密度很低時，板材內(nèi)部存在著大量的半封閉孔洞，甚至存在一些很大的空洞。當(dāng)成型壓力達(dá)到100MPa時，柔性石墨板密度可達(dá)1.5g/cm3甚至更高，利用掃面電鏡可觀察到表面結(jié)構(gòu)和揭開后的層狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其表面比較平滑，只有很小的縫隙，半封閉孔明顯減少，氣密性得到明顯改善。

? ? 其內(nèi)部仍然存在各種細(xì)微孔隙，這些孔隙仍然直接影響板子的氣密性；另一方面，緊靠蠕蟲石墨之間的相互咬合難以承受結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度，很容易導(dǎo)致裂紋、撕毀和破壞性的損壞。為此，需要比采用浸漬注膠的工藝改善極板的密封性能和機(jī)械性能。

? ? 將已成型的柔性雙極板放置真空浸漬灌中，同時按比例配制好需要浸漬注膠的樹脂溶液；進(jìn)行真空抽取，待罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值后停止抽真空并開啟浸漬液閥門，達(dá)到設(shè)定液位關(guān)閉輸液閥門，同時進(jìn)行加壓浸漬，壓力設(shè)定在1.5MPa左右。浸漬時間由浸漬劑類型而定，待浸漬完成后，將壓力降至2.0bar，開始回液閥門將浸漬液壓回儲液罐。緊接對石墨板進(jìn)行清洗、烘干及固化處理。

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