双极板材料质子交换膜燃料电池制备及综述

陈思雨 张振

摘要：双极板作为质子交换膜的一个重要组成部件与其能在燃料电池中发挥出分配、分离并输运反应气体、提供电气连接以及去除副产物的关键性作用息息相关;与此同时双极板也为质子交换膜燃料电池带来了高额的成本。本文就温度稳定性以及材料耐腐蚀性为衡量标准综述不同双极板材料及其制备工艺，为将来研发更高成本优势，更好物理性能的新型双极板金属材料提供思想。

1 前言

当前世界各国对资源的过度采伐以及不合理利用，导致全球范围的能源危机、化石燃料燃烧不充分产生环境污染和生态受损等问题，对全新、清洁的高效率能源的需求迫在眉睫，而拥有能量转换率较高、环境污染程度低、工艺流程温度低以及几乎零排放等诸多理想优势的燃料电池成为前景最好、拥有巨大潜能的全新研究方向。但由于PEMFC温度稳定性和耐腐蚀性在成本上的制约，其无法成为完全可代替化石燃料规模性实施应用。而双极板作为最关键部位之一，对于材料的选取直接决定了燃料电池制备的成本高低以及技术限制问题，本文综述不同双极板材料及其温度稳定性，介绍不同双极板材料燃料电池的应用及提出展望。

2 石墨双极板

石墨双极板极具有导电性能好和温度稳定性强的特点，并有较高的耐腐蚀性和耐久性能，但其劣势在于工艺流程难，制作成本高，加工周期长，产品体积较大，但目前难以满足大批量生产的要求是其最大的弊端，无法规模化生产利用仍是难以解决而又不得不面对的问题。双极板作为提供气体流道、建立阴阳两极之间电路流通的隔板，对其厚度有着严格的机械要求。对此现有石墨双极板都难以解决市场需求大问题和空隙问题，而改善方法思路是在混合其材料的工艺中加入碳纤维以提高其自身机械强度;再在工艺流程里加入金属粉末用以提高其导电性能。总体来说，石墨双极板市场前景好，但对其生产工艺有着严格的要求和推进需要。

3 金属双极板

目前可用于制作双极板的诸多金属材料中铝，镍，钛及不锈钢占比最重。金属双极板相比于石墨双极板更易加工，规模性生产量高，工艺生产成本以及流程制造低;其又因为双极板为保持良好阻气作用，金属双极板厚度薄更是极为突出的一个优势，用以减少对电流及热的传到阻力。

然而其在使用过程中容易被腐蚀、耐久性能差以及温度稳定性弱的缺点也是无法忽视的关键性问题，对此的改善方法思路是在工艺流程中增加表面改性涂层保护工艺系统以增强其耐久性能和减弱被腐蚀程度和速度。总体来说，金属双极板市场需求可以满足，但其生产工艺仍存在难以攻克的难题，在其导电性能上也相比较于石墨双极板较弱。

4 复合材料双极板

金属与炭质的复合材料经所需工艺流程制成的材料混合型双极板能够在保留石墨材料其接触电阻极小的优势的同时还能融合包含不锈钢和钛等金属材料的表面均形成不导电的氧化物膜使接触电阻增高的效果。与金属材料所制成的双极板相同的是其也可以在工艺流程上规模性生产制造，可达到市场需求的批量化生产，但其强度、导电性均不能达到以上两种材料所制的双极板的性能高度，与此同时材料混合型双极板的工艺成本也相对较高。

5 燃料电池的温度稳定性

5.1 燃料电池的损失热

燃料电池在工作时处于一个高温的运行环境，因而电池中会有一部分组件之间出现热膨胀行为而有极大的可能性导致电池内部发生物理机械形变，从而致使电池退化甚至从内部破裂。在金属双极板制作工艺中的冲压与液压成型工艺能使得产生塑性变形，这个过程是很复杂的，一旦电池内部损坏将无法使用，即使返厂，其所能够再利用的价值也很低了。而且冲压、液压成型工艺难度较大，因此凸显燃料电池自身的温度稳定性就尤为重要了。

燃料电池通过自身对外界的温度差进行热辐射、在流程工艺中产生的气体携带一部分热量、生成的水以及冷却液在降低温度的同时带走部分热量的方式散发自身所产生的热量，而燃料电池的能量利用率近似为50%，因此燃料电池在工作时产生的损失热值与其所能提供的能量几乎相等，所以就需要大量的冷却液来降温并带走损失热，以便维持燃料电池的正常运行和使用寿命。对于某些相对较大功率的燃料电池而言，无端的又增加了热损失值，问题也就会暴露的更加明显。因此，如果在冷却液带走热量的同时添加燃料电池的冷却装置，这样在带走热损失值得同时也可以添加循环利用的系统对热损失进行尽可能的循环利用，这样做的好处是不仅提高了燃料电池的温度稳定性、减少其自身产生的热损失值，还能够延长燃料电池的平均使用寿命。

5.2 燃料电池温度控制系统

曾被广泛采用的传统的温度热稳定控制系统将燃料电池尽可能散热的能力作为发展方向，在控制温度、带走损失热量的工作过程中，较为强大的散热能力确实是有利于燃料电池工艺系统对温度稳定性的控制，但其弊端也毫无保留的暴露出来，在高温时，燃料电池（包含大功率燃料电池）一旦过载或者是接近过载，其自身产热与环境温度之间的较大温差对散热器的散热能力便有了更为严格的需求，因此环境温度越低，其驱动能力越大，燃料电池使用时长便会缩短，更有甚者会影响到燃料电池的使用寿命（额定功率越大，影响越大）。久而久之，燃料电池出现低负載的情况后，散热器超负荷散热导致的燃料电池温度上下浮动，温度稳定性能更差。

针对传统的温度控制系统由于环境温度降低而导致所需散热能力增加，提出改进的燃料电池温控系统及策略，在散热系统中设有散热风扇及热传感器和信号灯，指示灯亮起，风扇阀门打开，散热增加;再在燃烧电池处于一定较高散热量时，热传感器在指示灯发送信号亮起时，打开风扇运作阀门提高温度变化而所需的散热能力。在此应注意的是根据具体燃料电池的额定功率调节合适风扇开启（关闭）阀值范围，可以有效避免温度超调现象的发生。其控制策略的改进点就在于热传感器在指示信号下自由调节应对的阀值大小以满足不同外界温度变化以及燃料电池自身功率产热的情况下对散热装置散热能力的需求。

6 总结与展望

通过分析燃料电池使用寿命的长短、产热的热传导效率及性能、生产制造工艺流程成本和复杂程度以及温度热稳定性等诸多因素来判断所选双极板材料的好坏，决定其商业市场的需求量，是双极板作为质子交换膜燃料电池的重要组成部分的意义所在。目前商业市场上依旧是石墨双极板占主导地位，这是因为复合材料双极板大多还处于一个未知的研究阶段，因此结合金属和炭质材料的双优性能的研究具有极大的市场前景，追求更低成本、更利流水工艺和更大规模性生产链也是未来双极板发展的一个主流方向。PEMFC作为新型清洁转换能源，对其的利用与开发直接决定了将来环境问题处境的好坏，同时致力于探索研究新兴的清洁能源，也将能直接改变空气污染、生态损坏的现状。

参考文献

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