农业智能机器人中超薄金属复合双极板及燃料电池的研制

樊 昕 ，刘恒伟

（1.泰山科学技术研究院，山东 泰安 271000；2.泰安市化工专项行动办，山东 泰安 271000；3.山东岱擎新能源科技有限公司，山东 泰安 271001）

农业机械化是农业农村现代化的重要组成部分，农业机械化是智慧经济形态在农业中的具体表现，是实现农业赶超战略的重要途径。农业智能机器人是农业机械化的先进代表之一，其充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警及智能管理等功能，在农业精细化作业、田间管理、植保无人机等方面可发挥重要作用，并且正在向小型微型、低功耗、智能化和自动化方向发展。传统户外机器人的动力装置主要是蓄电池，但蓄电池存在效能低、寿命短、污染重等问题。近年来，具有不受卡诺循环限制、能量转换效率高、可低温快速启动、无电解液流失和腐蚀性、使用寿命长等特点的质子交换膜燃料电池（PEMFC）逐渐成为农业机器人能源装置的首选。

1 质子交换膜燃料电池反应原理

质子交换膜燃料电池可以将氧化剂和氢燃料转化为电能。燃料电池主要元件是由质子交换膜和多孔导电碳层组成。可引发电化学反应的金属铂催化剂均匀分散地涂覆在膜与碳层界面上。电化学反应产生的电子由导电物体从膜两极经由外电路导出形成电回路。

燃料渗透通过多孔扩散材料后，在膜电极正极的催化剂表面反应，电子失去，转为正离子。正离子经由质子交换膜到达膜电极的负极，在催化剂表面转为负离子。负极的负离子与正极的正离子反应，形成反应产物。

质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气为氧化剂，通过电化学反应，氢在正极形成氢正离子。氢正离子在质子交换膜作用下运行到负极。同时，含氢气流与含氧气流由质子交换膜隔离，不会发生爆发反应。

氧气在负极催化剂表面形成负离子，正极运动来的氢正离子与之反应生成水。

膜电极置于质子交换膜燃料电池的导电极板中间，与膜电极接触的导电极板表面有经过工艺处理的导流槽。极板材料可选用金属材料或碳材料。燃料和氧化剂由导电极板导流孔和导流槽引进膜电极的正负极。一个质子交换膜燃料电池有一个膜电极，正极燃料导流板与负极氧化剂导流板置于膜电极两端。导流极板可起到膜电极的支撑作用，也是电流集流板。氧化剂和燃料以导流槽作为进入正负极的通道，也是反应物——水的导出通道。

多个单电池以平铺或叠砌形式串联成电池堆来提高质子交换膜燃料电池的总功率。电池堆的极板两面都开设有导流槽，既是上个膜电极的正极导流槽，又是下一个膜电极的负极导流槽，此方式的极板为双极板。多个电池连接形成的电池堆通过固定杆和前后端板相连。

燃料电池堆的端板上开设有氧化剂、燃料和冷却液的进出口。氧化剂和燃料通过导流入口及导流通道引至正负极的导流槽中，冷却液通过通道进入电池堆冷却道中，中和氢氧反应产生的热量并排走，电池堆排出氧化剂和燃料气体，同时排出产生的汽液形态的水。

质子交换膜燃料电池是今后电动汽车、铁路、海运、无人机、智能机器人等户外作业机电装置的重要动力来源。质子交换膜燃料电池的核心元件是双极板，但由于传统双极板单位面积利用率低以及体积大、加工难、质量重等原因，影响了燃料电池功率的发挥及商业化、产业化步伐。

2 质子交换膜燃料电池商业化生产研发路径

作为农业智能机器人能源装置首选的质子交换膜燃料电池固然有功率密度高、能量转换效率高、可低温快速启动等优点，但是其商业化生产之路并不畅通。主要原因除了生产成本高外，重量比功率和体积比功率较低也是主要因素。双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量和成本，且承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。所以，研制性能高、成本低的双极板是质子交换膜燃料电池商业化生产的必由之路。目前，石墨板、金属板、复合双极板是常见的质子交换膜燃料电池双极板，而复合双极板兼有碳材料板和金属板的优点，突出表现在强度高、质量轻、阻气效果好、导热性强、抗腐蚀能力强、体积小，有助于质子交换膜燃料电池的商业化。美国Los Alamos实验室正在开发使用石墨/树脂双极板；德国Simens公司采用薄金属双极板等；德国西格里碳素公司具备了规模化产业化生产燃料电池双极板的能力，研制出聚丙烯、聚偏氯乙烯以及热固性酚醛树脂为主要粘结剂的复合材料双极板；日本丰田汽车公司在其研发的Mirai燃料电池汽车上使用金属双极板和涂层，解决了腐蚀和导电等问题，此类研发在一定程度上提高了双极板的性能，降低了双极板的成本。

3 三种常见双极板的比较

3.1 双极板的特性与功能

作为燃料电池重要组成部分的双极板（集流板）兼有多种功能和特性，要能阻隔气体的渗透，防止燃料和氧化剂混合；能对电流进行收集和传导，要具备较高的导电率；气体可以通过双极板的流道均匀分散到极板的反应区参与反应；能够尽快释放反应产生热量，防止电池过热；具备一定的耐腐蚀性，以延长电池寿命；具备一定强度，能经受一定力度的冲击和震荡；质轻壁薄体积小，加工成本低廉；加工工序简单，适合于批量生产等。

3.2 三种双极板性能优劣比较

常见双极板有三类，碳材双极板、金属双极板和复合双极板。早期的双极板多为石墨双极板，可以经过机械加工处理形成气体流道，其低电阻和化学性质稳定的特性曾一度成为燃料电池的主要类型。但石墨质脆、抗压强度小，加工难度大，极板做薄难度大，组装复杂，制配的燃料电池功率密度小。石墨双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本Fujikura Rubber、日本Kyushu Refractories、英国Bac2等。中国石墨双极板厂商主要有亿华通、上海弘枫、杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素等，正逐步实现国产化。

金属双极板的选材多为镍、钛、铝或不锈钢，因金属板具有较强的刚性和强度，电阻低，导热性能好，机械加工简单，板壁薄，批量制备容易，电池功率密度高而受到青睐。但燃料电池的酸性环境容易腐蚀双极板，需要进行耐腐蚀处理，还要保证接触电阻低且性能稳定。英国Intelligent Energy新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度更是达到了5kW/L。金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国Treadstone等。

复合双极板通常是以石墨为主加上粘结剂等制成，具有一定柔性，可解决石墨双极板加工难和易碎等问题，缺点是制备方法繁琐，导电性较差，机械性能不好，不易组装等。兼有碳材料和金属双极板优点的复合双极板，显著优化了电池的体积功率，但是对于碳基复合材料类的非金属组件的制备，传统上通过固相法热模压工艺对固体粉末材料进行制备，脱模难度大，生产成本高。而且，此类碳基复合材料缺点是电阻大，增加了电池内阻损耗，导致能量效率偏低。所以，制备复合双极板重点在于降低其电阻。

4 金属基复合双极板的研制

4.1 金属基复合双极板的优势

复合材料制备的双极板具有加工难度低、质量轻、成本低的优点，成为制作质子交换膜燃料电池的首选。复合双极板有金属基和石墨基两种。石墨基双极板是混合碳粉和聚合物树脂压模成型，质轻、无污染。金属基双极板曾有美国实验室集成了不锈钢、聚碳酸酯塑料和多孔石墨的优势，以金属箔为分隔板，以多孔石墨板为导流板，优化了燃料电池的功率密度。

金属基材料强度高、隔离效果好、接触电阻低、加工难度低，在燃料电池中应用较广。金属抗冲击性好，冲压成型批量生产可降低生产成本。高强度可避免板片破损引发漏气。金属韧性好，可减小厚度减轻电池质量。金属导热性好，可快速释放电池产生的热量，以提高电池性能。金属导电率高，可降低损耗提高功率密度。金属隔离性好，在电池正负极间可以较好地隔离反应气体。因此，金属基材料做双极板可有效达到电池的预期目标。

4.2 金属基复合双极板制作过程

选取厚度在500微米以内的超薄金属片（铝质、铜质、不锈钢材、钛金属、银质均可），表面涂以聚合物导电浆液（以1微米粒径内的金粉、银粉、石墨烯、鳞片石墨、天碳纳米管、导电炭粉、中间相炭微球、复合石墨、碳纤维的导电充填物单材或混合物，加以酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂、PEFT树脂、脲醛树脂、三元乙丙树脂和聚酰亚胺的聚合物单材或混合物，均匀混合分散剂和粘结剂并搅拌研磨），以微凹版涂覆、喷涂、挤压涂覆、丝网印刷、刷涂、刮涂、浸涂等方式加以涂覆，厚度控制在几百微米以内，辅以烘箱加热的方式使其固化成型，可制备出适合本研究的金属基复合双极板。本方案的金属基薄片要经过工艺处理以具备燃料电池环境下抗腐蚀的特性。粘结剂主要是聚烯烃类、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇之一，或是它们的组合，分散剂为丙酮、N-二甲基乙酰胺、乙醇、N-甲基吡咯烷酮等常见有机溶剂。此方案制备的双极板具有接触电阻低、成本低廉、可批量生产的优点。

5 高功率密度燃料电池研发展望

经过几十年的研发，高功率密度燃料电池日渐成为具有普适性的能源转换装置。为稳定、持久地适应商业化应用，还需要注意如下方面的改进：一是优化电池结构，使各元件有机适配发挥作用；二是拓展研究动电位极化老化，更好地对燃料电池进行模拟；三是加强对涂层的研究，满足相关性能的要求；四是以农业机器人的工作环境、状况为变量，研究各相关因素间的耦合关系，对导电性和持久性进行建模，提升复合双极板燃料电池的功效。

6 结束语

目前，新一代燃料电池设计更多地依赖于相关能源材料的开发与其内部过程的优化，然而燃料电池内多尺度复杂结构与物理化学过程为此带来了巨大挑战。本研究通过对金属复合双极板进行优化设计，进一步提高燃料电池的功率密度，取得了理想的效果。今后，农业智能机器人应用此类高功率密度燃料电池后，将大幅提升其续航能力和作业功效，为智慧农业作出更大贡献。