金属极板电堆具有功率密度高、冷启动性能好、抗振性能优异等优点，是未来车用燃料电池的主流方向；同时金属极板采用冲压、焊接、涂装等工艺，更符合汽车行业发展规律，易于实现大批量、低成本制造。本文分享上海氢晨新能源科技有限公司(以下简称上海氢晨)大功率金属极板燃料电池堆核心技术。

燃料电池电堆由数百片双极板、膜电极、密封元件等关键部件层叠装配而成，电堆设计、部件匹配、电堆可靠性等方面面临技术挑战。上海氢晨核心团队源自上海交通大学，经过近10年的持续研发，突破了系列核心技术。

上海氢晨专为100kW系统开发的H2100A型电堆

近年来，上海氢晨专注金属极板电堆，开发出了45kW(面向30kW系统)、80kW(面向60kW系统)和120kW(面向100kW系统)的系列化电堆，在电池性能、可靠性与成本方面具有显著优势。

上海氢晨专为60kW系统开发的H280C型电堆

高功率密度电堆设计

为提升集成紧凑性并减小冷却阻力，上海氢晨新一代电堆设计将冷却与进气走向垂直布置。如下图所示，传统的Co/Counter-Flow设计存在水-热平衡问题，导致电流密度(反应)分布不均匀，造成局部过热、水淹/欠气等，影响电池性能和寿命，并对系统控制提出更高的要求。为解决此问题，上海氢晨开发了参数化流道设计工具和分区电流密度测试平台，采用领xian的Wavy Cross-Flow设计，通过反应气/冷却流道变径和流向控制，解决了高电流密度工况水热平衡问题。新一代Wavy Cross-Flow设计有效提升催化层氧浓度43.5%，通过二次流增强排水效果减少GDL内水淹风险，并提升了换热效率，具体结果见下表。

新一代Wavy Cross-Flow流场与传统Co/Counter-Flow流场设计对比

                   传统Co/Counter-flow流道分区电流密度测试结果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道分区电流密度测试结果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道设计后电流密度分布如上图所示，较Co/Counter-Flow设计均匀性提升超70%。基于此技术，上海氢晨专门开发了面向下一代补贴政策的H280C型电堆，电堆额定功率80kW(系统60kW)。如下图所示，相同膜电极条件下电堆性能提升17.7%，体积功率密度(含一体化端板)达2.5kW/L，额定工况电堆效率达53%，怠速工况达 67%。

基于新一代Wavy Cross-Flow流场设计的上海氢晨H280C型电堆性能提升

高可靠性和耐久性

通过内部互锁结构设计和模块连接方式优化，H280C模块设计满足车用SAE J2380抗振要求。下图分别给出了电堆模块的振动变形和各阶共振频率仿真结果，在考虑气体/装配压力和不考虑气体/装配压力的工况下均大于200 Hz。

上海氢晨H280C型电堆模块可靠性-振动变形

上海氢晨H280C型电堆模块可靠性-各阶共振频率

此外，H280C电堆模块防水防尘性能达到IP67等级，具有良好的绝缘性和EMC特性。电堆经过严格的快速变载测试，可在加载速率60 A/s(超过15 kW/s)情况下稳定运行，整堆额定工况节电压波动标准差小于10 mV。更为重要的是，该型电堆的金属极板涂层、催化剂和密封材料均通过车用高压、高腐蚀环境寿命老化实验，结合启停、变载等控制策略优化，保证电堆达到车用耐久性要求。

良好环境适应性

电堆实际运行条件往往受到运行环境的影响，因此电堆的环境适应性尤为重要。下图为H280C型电堆在高低温状态下的变形情况，仿真结果表明在不同外部环境下均能达到使用要求。因此，在气量、温湿度偏离标准条件的情况下，H280C电堆仍能保持正常运行。

温度对变形的仿真计算结果-低温变行

温度对变形的仿真计算结果-高温变形

下图给出了H280C型电堆的性能敏感性实验结果。在操作条件波动的情况下，电池性能波动小于10 mV。电堆模块先后经历材料级、零部件级、电堆级的环境适应性优化，达到-20℃冷启动(无辅热)和-40℃低温存储，具有良好的温湿度适应性。

上海氢晨H280C型电堆模块不同工况敏感性：(1)标准工况；(2)计量比增加；(3)计量比减少；(4)低增湿；(5)高增湿；(6)温度变化

良好环境适应性

上海氢晨H280C型电堆采用多功能一体化端板设计，兼顾歧管分配、轻量化和绝缘效果。如下图所示，电堆模块总体流量极限偏差阴极＜5%，冷却＜10%；综合考虑轻量化、刚度和成型性的一体化设计结果如下图，电堆模块装配完成后变形量小于0.05 mm。仿真和实验表明，通过一体化设计有效减小电堆模块的体积和重量。此外，外壳主体综合考虑强度和装配便捷性，同时配备CAN通讯的CVM模块，便于零部件选型和系统高度集成，系统zui高xiao率可达58%。

H280C型电堆一体化端板技术-整堆冷却流量分配

H280C型电堆一体化端板技术-端板变形分析

批量制造与质量控制

基于高速冲压超薄金属双极板、膜电极R2R批量化解决方案，配合自主开发的电堆自动化装配平台，集成大量在线/离线检测系统，保证产品的高质量快速批量制造。如下图所示，上海氢晨建立了电堆层叠式装配模型，分析部件制造误差、装配误差、定位误差对接触压力影响规律，揭示边缘效应产生机理，形成层叠式装配容差分配方法。目前，上海氢晨可以将整堆侧边装配误差控制在0.2mm以内，厚度方向误差控制在0.5mm以内，如下图(右)所示。通过电堆自动化装配平台将装配时间缩短到20-40分钟，终目标是开发全自动的智能制造生产线，生产节拍3分钟/台电堆。

电堆装配质量控制技术(左:电堆层叠式装配模型；中:装配容差分配；右:自动化装配的裸堆)