粉体模压复合石墨板：助推氢能无人机领航低空赛道

        在全球能源转型背景下，低空经济正迎来前所未有的发展机遇。当锂电池无人机仍在为突破2小时续航苦苦挣扎时，氢燃料电池无人机已悄然实现6小时以上的持续飞行。PEMFC电堆作为氢能无人机的心脏部件，多数采用风冷系统。那么风冷式氢燃料电池系统由哪些部分构成，其中关键组件双极板又需要具备哪些特点呢？

图1 氢燃料电池无人机

        根据温度控制方式不同，氢燃料电堆系统可分为风冷式和水冷式两类。水冷堆功率密度高，适合大功率场景，但其需要增加制冷设备，并配有冷却水泵、水箱、散热器以及相关的管道，系统复杂成本较高。风冷堆省去液冷系统的水泵、水箱、散热器及管路，低温可直接启动，无需预热防冻液，无冷却液结冰/沸腾隐患，适应-30℃~60℃极端环境。因此，风冷堆在便携式电源、无人机、两轮车等小型车辆等领域得到了广泛应用。

图2 风冷堆结构示意图

图3 水冷堆结构示意图

        典型的风冷氢燃料电堆主要包括膜电极、双极板、端板与紧固系统、氢循环模块及热管理系统。双极板作为电堆堆芯的骨架结构，起到串联和传导电流的作用，同时为反应气体提供流道，使氢气和空气能够均匀地分布在电堆中，参与电化学反应。这些要求对双极板的流道成型能力、导电性能及机械性能均有较高要求，同时还要兼顾电堆轻量化的需求。

图4 氢燃料单电池结构示意图

        当前风冷堆主要采用的双极板有金属板、等静压石墨机加板等，金属钛板平均密度为4.5g/cm3，等静压石墨机加板平均密度为2.0g/cm3。耕驰新能源最新推出的风冷堆专用石墨复合双极板的平均密度为1.85g/cm3，是钛金属的41%，高密度等静压石墨机加板的92.5%。某头部厂家最新发布的20kw风冷氢燃料电堆总重为19Kg。通常双极板重量约占系统总重的60%，可推测该堆重双极板总重约在11.4Kg。 版型不变的情况下，将该电堆中的等静压石墨机加板替换为粉体模压复合石墨双极板，将为电堆减重约7.5%，增加续航里程近10km。此外，粉体模压双极板可以获得较等静压石墨板更薄的共平面，这可以进一步减轻电堆重量。

        风冷氢燃料电池用双极板模压成型的技术难点在于流道深度，因冷却的需求，其流道深度近2mm，远大于液冷式电池。耕驰新能源自主研发粉体模压风冷电堆专用极板，在材料升级的基础上，更取得了模压深流道成型工艺规模化应用的关键突破。

        成本优势：商业化破局关键

        粉体模压石墨复合双极板原材料价格低廉，材料利用率达99%，良率达99.9%，且无需涂层或浸渍等外表面处理工序，具有天然的成本优势。伴随着粉体模压成型工艺的关键突破，粉体模压复合双极板成本有望进一步下降，推动氢燃料电堆在无人机领域的应用。

        材料与流道灵活设计：大功率瞬时响应的设计抓手

粉体模压石墨复合双极板材料灵活可控，根据客户需求定制化设计材料体系，匹配不同场景的特殊要求，匹配不同应用领域的特殊需求。通过模压工艺，可以在流道区域使用更高比例的石墨材料，达成高导电要求；而在非流道区域增加树脂含量，达成高强度要求。针对极板不同区域进行梯度化设计，实现材料性能的优化分布。

高精度复杂深流道一次成型，可一次成型微米级精度的蛇形流道/双侧交叉流道；粉体模压可实现深流道设计，更好平衡气体扩散与散热。

图5 粉体模压双极板在风冷电堆中的技术优势

        轻量化与强度的完美平衡：无人机飞行的“定海神针”

        石墨复合材料密度小于金属双极板，略低于等静压石墨机加板，极板强度基本等效于等静压石墨机加板，大于膨胀石墨浸渍板，在轻量化于强度中间做到了性能的完美平衡。

        耐腐蚀与长寿命：粉体模压本征特性守护飞行安全

        粉体模压工艺相较于其他需要浸渍或涂层的双极板工艺路线，内部组织均一且致密，无需依赖额外表面处理，从而保障了长期使用的安全性和稳定性，具有耐久安全的本征特性。极板服役寿命长，运行中安全稳定，减少后期运维的痛点，进一步降低全生命周期投入成本。

图6 粉体模压成型流道板断口及截面SEM

        抢占氢能航空的"心脏"跃动引擎

        在氢能无人机迈向商业化的关键阶段，粉体模压复合石墨双极板凭借其综合性能优势，为推动行业突破提供了一个新的技术选择。这项融合材料创新与工艺革命的技术，有效平衡了轻量化、成本和使用寿命的挑战，助推氢能无人机在低空经济浪潮中赢得先机。

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