前言
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是繼堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池發展起來的第五代燃料電池。PEMFC是以全氟磺酸型離子交換膜為電解質，氫氣或重整氣為燃料，空氣或氧氣為氧化劑的燃料電池。最簡單的PEMFC是由質子交換膜組件、雙極板、密封圈構成的。質子交換膜組件一般包括質子交換膜、陰極催化劑、陽極催化劑、陰極氣體擴散層、陽yang極ji氣qi體ti擴kuo散san層ceng。質zhi子zi交jiao換huan膜mo使shi陰yin極ji反fan應ying與yu陽yang極ji反fan應ying分fen別bie進jin行xing，且qie隻zhi允yun許xu質zhi子zi通tong過guo而er不bu允yun許xu電dian子zi通tong過guo。氫qing氣qi在zai催cui化hua劑ji的de作zuo用yong下xia發fa生sheng電dian極ji反fan應ying，產chan生sheng質zhi子zi與yu電dian子zi，質zhi子zi經jing過guo電dian解jie質zhi膜mo到dao達da陰yin極ji，而er電dian子zi則ze通tong過guo外wai電dian路lu產chan生sheng電dian流liu，質zhi子zi與yu電dian子zi和he氧yang氣qi陰yin極ji發fa生sheng反fan應ying生sheng成cheng水shui。
目前，仍存在很多技術問題阻止PEMFC的商業化進程，但最主要的原因是成本太高。降低PEMFC成本主要從膜組件、雙極板材料、單電池結構、電池係統的改善等諸多方麵考慮。因此本係列將針對上述幾個方麵闡述其進展情況。
1雙極板特性
目前使用的雙極板，無論是材料還是工藝價格都比較昂貴，因此，選擇合適的雙極板材料與設計合理的流場結構就顯得十分重要。
PEMFC的雙極板功能主要有：（1）為膜電極的組裝提供機械支撐和強度；（2）分隔氧化劑與還原劑,並引導氧化劑和還原劑流體均勻、平緩且可控地分散到電極表麵的反應區域；（3）使生成的水順利排出，並確保電池堆的溫度分布均勻；（4）分隔電池堆中的每個電池；（5）收集輸送電流。
雙極板對材料的要求：（1）與電解質的化學相容性；（2）較低的接觸電阻和體電阻，提高電池的輸出功率；（3）致密性好，不能透過氫氣與氧氣；（4）雙極板材料製備簡單且重量輕；（5）由於加工可能在高壓下進行，要求材料有足夠的強度。
2雙極板材料
2.1石墨材料
石墨是較早開發和用以製作雙極板的材料。傳統雙極板主要采用無孔石墨板或碳板,其製備方法主要是使用石墨粉或焦炭加粘結劑,經捏合、模壓後炭化、石墨化成為薄板,再通過機加工得到氣體流道(即所謂的“流場”)。加拿大Ballard公司的PEMFC的研究者已成功的開發了蛇型流場的石墨雙極板,他們生產的Mark500(5 kw)、Mark513(10 kw)和Mark700(25~30 kw)的PEMFC電池組均是種石墨雙極板組裝的。石墨板具有良好的導電性、導熱性和耐腐蝕性,但石墨的脆性造成了加工困難,因此加工費用較高,同時也限製了石墨板厚度的減小。此外,石墨在製造過程中容易產生氣孔,使燃料與氧化劑相互滲透,影響電池性能。天津大學已製成純的柔性石墨板。上海交通大學燃料電池研究所采用真空加壓的方式,以矽酸鈉濃溶液浸漬石墨雙極板,減少了製造過程中的氣孔。
專利CN1560947 給出了一種純柔性石墨燃料電池雙極板及其製備方法。其特征在於：整(zheng)個(ge)雙(shuang)極(ji)板(ban)是(shi)由(you)石(shi)墨(mo)蠕(ru)蟲(chong)組(zu)成(cheng)，並(bing)且(qie)利(li)用(yong)浸(jin)漬(zi)和(he)直(zhi)接(jie)添(tian)加(jia)的(de)方(fang)法(fa)在(zai)蠕(ru)蟲(chong)中(zhong)混(hun)和(he)少(shao)量(liang)添(tian)加(jia)劑(ji)，或(huo)者(zhe)利(li)用(yong)直(zhi)接(jie)塗(tu)抹(mo)的(de)方(fang)法(fa)在(zai)雙(shuang)極(ji)板(ban)表(biao)麵(mian)形(xing)成(cheng)薄(bo)膜(mo)。直(zhi)接(jie)成(cheng)型(xing)的(de)純(chun)石(shi)墨(mo)蠕(ru)蟲(chong)雙(shuang)極(ji)板(ban)抗(kang)拉(la)強(qiang)度(du)為(wei)6～15MPa，經過浸漬處理的雙極板抗拉強度為8～20MPa。
專利CN1719649tichuleyizhongzhizijiaohuanmoranliaodianchishimobanshuangjibandegaijinjiegou。yijinshupianzuoweidaodianpian，daodianpiandeyijiaosheyouduogetutai，jiangdaodianpiandeduogetutaibufenqianrushimobandeyijiao，gaidaodianpianyushimobanzhijiandejiechumianwei：導電片與石墨板之間的橫截麵以及導電片上、下兩個表麵；導(dao)電(dian)片(pian)凸(tu)台(tai)與(yu)石(shi)墨(mo)板(ban)之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)擋(dang)位(wei)銷(xiao)，導(dao)電(dian)片(pian)位(wei)於(yu)石(shi)墨(mo)板(ban)之(zhi)外(wai)的(de)部(bu)分(fen)接(jie)測(ce)量(liang)線(xian)。采(cai)用(yong)本(ben)發(fa)明(ming)結(jie)構(gou)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)石(shi)墨(mo)雙(shuang)極(ji)板(ban)，接(jie)觸(chu)緊(jin)密(mi)，單(dan)節(jie)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)穩(wen)定(ding)，特(te)別(bie)適(shi)合(he)在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)電(dian)動(dong)車(che)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)電(dian)堆(dui)的(de)單(dan)節(jie)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)的(de)輸(shu)出(chu)的(de)測(ce)量(liang)，對(dui)促(cu)進(jin)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)產(chan)業(ye)化(hua)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。
專利CN1632974給出了一種石墨雙極板的表麵處理方法，先將未處理的石墨板加工出物料傳輸的流道；將其與電極接觸的表麵(即相鄰兩流道之間的脊部表麵)保護起來；用有機憎水溶液對石墨板浸漬；除掉對脊部表麵的保護；將石墨板進行熱處理，溫度為100～180℃；時間為一個小時以內；將處理完的石墨板的與電極接觸的表麵(即相鄰兩流道之間的脊部表麵磨掉一層。
專利CN101630744 公gong開kai了le一yi種zhong燃ran料liao電dian池chi石shi墨mo雙shuang極ji板ban的de電dian擊ji合he成cheng方fang法fa，其qi首shou先xian將jiang柔rou性xing石shi墨mo材cai料liao按an雙shuang極ji板ban的de尺chi寸cun切qie割ge成cheng形xing，製zhi作zuo衝chong模mo，衝chong模mo底di板ban的de幾ji何he圖tu形xing與yu雙shuang極ji板ban的de幾ji何he圖tu形xing一yi致zhi；將柔性石墨板置入衝模機進行衝壓，形成符合要求的幾何圖形；采用透氣石墨材料，將若幹片製成的不同幾何圖形的柔性石墨板定位拚裝；將拚裝後的多層柔性石墨板和透氣石墨材料在設定的電壓、電流、壓ya力li和he時shi間jian下xia，通tong過guo瞬shun間jian短duan路lu法fa一yi次ci電dian擊ji成cheng燃ran料liao電dian池chi石shi墨mo雙shuang極ji板ban。本ben方fang法fa簡jian化hua了le雙shuang極ji板ban的de加jia工gong工gong藝yi，提ti高gao了le生sheng產chan效xiao率lv，大da大da降jiang低di了le生sheng產chan成cheng本ben。
2.2金屬材料
與石墨雙極板比較，金屬雙極板具有良好的導電性、導熱性、機械加工性、致密性，適合批量生產。鋁、鈦、鎳、不鏽鋼等都是製造雙極板的金屬材料。但是金屬材料也存在一定的缺點，如單位密度高、易腐蝕等。由於PEMFC要在酸性、高(gao)溫(wen)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)工(gong)作(zuo)如(ru)果(guo)設(she)計(ji)不(bu)合(he)理(li)，金(jin)屬(shu)就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)被(bei)腐(fu)蝕(shi)或(huo)溶(rong)解(jie)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)的(de)降(jiang)低(di)，可(ke)采(cai)用(yong)新(xin)型(xing)合(he)金(jin)作(zuo)為(wei)雙(shuang)極(ji)板(ban)的(de)材(cai)料(liao)，更(geng)好(hao)的(de)辦(ban)法(fa)是(shi)在(zai)金(jin)屬(shu)雙(shuang)極(ji)板(ban)表(biao)麵(mian)鍍(du)上(shang)金(jin)屬(shu)防(fang)護(hu)層(ceng)。
專利CN1421946A給出了一種PEMFC金屬雙極板，它由基體及其表麵導電耐蝕塗層構成，基體為不鏽鋼薄板或鋁合金薄板，塗層厚度為0.1~50微米。該發明提供的金屬雙極板加工成本低、加jia工gong工gong藝yi簡jian單dan，有you利li於yu批pi量liang生sheng產chan，金jin屬shu氧yang化hua物wu塗tu層ceng導dao電dian耐nai蝕shi性xing能neng好hao，能neng夠gou製zhi成cheng較jiao薄bo的de金jin屬shu雙shuang極ji板ban，提ti高gao了le燃ran料liao電dian池chi的de重zhong量liang比bi功gong率lv和he體ti積ji比bi功gong率lv。
2.3複合材料
2.3.1碳／碳複合雙極板
將聚合物樹脂和填料混合，形成預製料，並固化成型，然後進行炭化、石墨化和氣相沉積等，即可製得碳／碳tan複fu合he雙shuang極ji板ban。這zhe類lei雙shuang極ji板ban材cai料liao的de導dao電dian及ji耐nai腐fu蝕shi性xing能neng良liang好hao，對dui膜mo電dian極ji集ji合he體ti無wu汙wu染ran，且qie質zhi量liang輕qing，是shi較jiao理li想xiang的de雙shuang投tou板ban材cai料liao。萄tao耖chao碳tan複fu合he雙shuang極ji板ban的de製zhi作zuo過guo程cheng較jiao複fu雜za，需xu要yao高gao溫wen條tiao件jian，因yin而er製zhi作zuo成cheng本ben較jiao高gao，不bu宜yi大da規gui模mo生sheng產chan。
專利CN1271467A給出一種用於製造雙極板的撓性石墨複合材料。將夾雜的天然石墨小片以重量百分比約1.5%~30%與長0.15~15mm的針狀陶瓷纖維粒混合。纖維粒的寬度為0.04~0.004mm。這種陶瓷纖維從石墨撓性片內部延伸到至少一個平整外表麵。
專利CN1355573A給gei出chu了le一yi種zhong石shi墨mo複fu合he雙shuang極ji板ban的de製zhi造zao方fang法fa。該gai雙shuang極ji板ban整zheng體ti由you石shi墨mo蠕ru蟲chong構gou成cheng，在zai其qi外wai表biao麵mian是shi聚ju吡bi咯ge或huo者zhe聚ju苯ben胺an網wang絡luo層ceng，或huo者zhe是shi在zai板ban壁bi石shi墨mo蠕ru蟲chong層ceng中zhong間jian夾jia附fu著zhe金jin屬shu薄bo板ban。采cai用yong模mo壓ya法fa生sheng產chan。這zhe種zhong複fu合he雙shuang極ji板ban耐nai腐fu蝕shi、重量輕、導電性能好、製造成本低。
專利CN2624411Y提出了一種可以作為PEMFC的複合雙極板。該雙極板用多塊石墨塊、增強材料及粘接樹脂組成。增強材料有玻璃纖維、碳粉、雲母、玻璃粉、石墨粉等。粘接樹脂可以是環氧樹脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂或者聚偏二氟、聚四氟乙烯等熱塑性樹脂。該雙極板機械強度高、重量輕、價格低廉、導電性能好，長期運行對PEMFC沒有毒害與汙染。
2.3.2聚合物／填料複合雙極板
將導電填料、樹脂(如酚醛樹脂、環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和氟樹脂等)和導電膠等混合，選擇合適的模具，將混合物置於模具中，在聚合物熔融溫度和一定壓力下通過模壓、注塑等工藝即可製備出聚合物／填(tian)料(liao)複(fu)合(he)雙(shuang)極(ji)板(ban)。這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)具(ju)有(you)和(he)石(shi)墨(mo)相(xiang)同(tong)的(de)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)能(neng)，可(ke)一(yi)次(ci)成(cheng)型(xing)製(zhi)備(bei)出(chu)帶(dai)流(liu)場(chang)的(de)雙(shuang)極(ji)板(ban)，易(yi)於(yu)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)，降(jiang)低(di)了(le)雙(shuang)極(ji)板(ban)的(de)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)。石(shi)墨(mo)、炭黑、碳纖維、碳納米管及金屬碳化物等被廣泛用作複合材料的導電填料。
這類複合材料雙極板的導電性能和機械強度還有待提高。
專利CN1388598A提出一種塑料複合雙極板。選用聚乙烯或聚氯乙烯等耐溫樹脂，用注塑機一次成型，高壓擠壓製成高強度、抗腐蝕、耐工作溫度50~130℃的塑料雙極板，並在雙極板表麵鍍複一層厚度小於0.2毫米起導電作用的耐腐蝕合金。
2.3.3金屬基複合雙極板
金屬基複合雙極板是采用薄金屬板或其他強度高的導電板作為分隔板，邊框采用塑料、聚碸和碳酸脂等材料。邊框與金屬板之問采用導電膠黏結，以注塑與焙燒法製備的有孔薄炭板、石墨板或石墨油氈作流場板。
金屬基複合雙極板結合了石墨板和金屬板的優點，具有耐腐蝕、體積小、質量輕和強度高等特點，缺點是結構複雜。
專利CN2429919Y提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)鑲(xiang)嵌(qian)結(jie)構(gou)的(de)複(fu)合(he)雙(shuang)極(ji)板(ban)。將(jiang)普(pu)通(tong)石(shi)墨(mo)製(zhi)成(cheng)的(de)氫(qing)氣(qi)流(liu)場(chang)和(he)氧(yang)氣(qi)流(liu)場(chang)分(fen)別(bie)鑲(xiang)嵌(qian)到(dao)金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)的(de)分(fen)隔(ge)板(ban)上(shang)下(xia)麵(mian)凹(ao)槽(cao)腔(qiang)中(zhong)。對(dui)雙(shuang)極(ji)板(ban)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)表(biao)明(ming)，普(pu)通(tong)石(shi)墨(mo)整(zheng)體(ti)雙(shuang)極(ji)板(ban)構(gou)成(cheng)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)隻(zhi)有(you)50h，不鏽鋼整體雙極板構成的電池壽命為500h，而鑲嵌結構雙極板的電池壽命可以達到1000h，可以有效解決金屬易腐蝕、普通石墨機械性差、易透氣等問題。
目前,關於雙極板所用材料的研究主要集中於以上3種,各有優缺點,其對比分析列於表1。
表1 各種雙極板材料的優缺點
3結語
雙極板材料和流場的選擇是製約PEMFC產化的關鍵。縱觀目前國內外雙極板材料的研究
狀,石墨雙極板是最成熟的已商業化的雙極板,具良好的導電性能與耐腐蝕性能,但是體積龐大、強和加工性能較差;複合板結合了石墨板和金屬板優點,但是由於其加工程序繁瑣,使成本增加;金板具有強度大、易成型、體積小等優點,但耐腐蝕能較差,仍是商業化的瓶頸。美國Los Alamos家實驗室正在開發使用石墨/樹脂雙極板,德國Simens公司采用薄金屬雙極板等,都能夠很好地提高雙極板的性能,降低雙極板的成本。國內雙極板的研究起步較晚,目前,天津大學、清華大學已開發使用膨脹石墨雙極板,大連物化所正在開發使用金屬雙極板,而華南理工大學正在從事複合材料雙極板的研究。可以看出,模壓成型的熱固性樹脂/石墨板、表麵改性的金屬板以及成本降低的複合雙極板是未來發展的趨勢。
2026-04-12 11:25:02
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