燃料电池双极板材料及其流场研究进展

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由于能源短缺及大量化石能源的消耗而导致的全球环境恶化已成为影响当今世界发展的重大问题，提高能源利用率和寻求洁净高效的新能源成为21世纪的主要议题。在这样的背景下，燃料电池受到人们的普遍关注。燃料电池是-种电化学发电装置，不同于常规意义上的电池。它等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，不经过热机的过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，达到了40%～60%；同时，环境友好，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物等有害气体；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上n ，对比于常规化学电源，燃料电池的燃料可以不断地 由外部供给，因此燃料电池可以持续地提供能量。而常规电源所能提供的能量完全由内部存储的化学反应物的数量决定，且反应物耗倔废弃电池造成的环境污染也不能忽视。正是由于这些突出的优点，燃料电池的研究和开发备受各国政府和企业的青收稿日期：2012-12-20基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51175472)；浙江受出青年科学基金资助项目(R1111149)作者简介：冷巧辉(1988-)，男 ，江西高安人 ，主要从事精密与超精密加工技术方面的研究.E-maih 1engqiaohui###126.com通信联系人：文东辉，男，教授，博士生导师.E-maih wendh###zjut.edu.al机 电 工 程 第 30卷睐，被认为是21世纪首选的高效、洁净的发电装置。

燃料电池的双极板具有多种功能，它的主要作用是分隔反应气体 ，并通过流倡反应气体导人到燃料电池中，收集并传导电流，支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热和排水功能。它是燃料电池堆中体积最大(90%以上)、重量最大(80%以上)、成本最大(45%以上)的部件b]，而高成本正是影响燃料电池走向实用化的-大障碍。另外，双极板上的流道决定了其反应剂与生成物在流场内的流动方向、电池的散热能力及电池长期运行的稳定性 。目前，用于燃料电池双极板的流道结构生产成本高、效率低。

为此，如何降低双极板的生产成本，减少电池堆的重量和体积以及将流道设计最佳化已成为亟待解决的世界前沿科学与技术难题。

1 燃料电池双极板材料双极板又称集流板，是燃料电池的核心部件之-，不但影响电池的性能，也是影响电池制作成本的关键因素。

目前 ，制造双极板的材料 主要有：石墨材料、金属材料以及复合材料。这些材料都具有导电、散热、阻气及抗腐蚀等性能。

--孽(a)石墨双极板 (b)金属双极板 (C)复合材料双极板图1 双极板1.1 石墨石墨材料具有低密度、高导电性和良好的耐腐蚀性 ，使它成为被较早开发并投入应用的双极板材料。

传统双极板主要是无孑L石墨板，其制备方法主要是将石墨粉与可石墨化的树脂，经捏合、模压后再碳化、石墨化成为卞，再通过数控加工在其表面加工出所需要的流道 。

然而石墨材料双极板也有其自身的问题：石墨的机械强度较低，使得制作过程十分复杂；石墨化温度高达2 500 cI，大大增加了制造成本；且石墨的脆性使得石墨双极板需要制成足够的厚度才能满足双极板的机械强度 ，这就限制了石墨双极板的商业使用范围。尽管如此，石墨双极板还是得到了广泛的认可。

为了避免机加工流道带来的成本高、加工周期长等的缺点，-些学者研制了先成型再石墨化的碳/碳复合材料双极板。黄明宇等 采用中间相碳微球/石墨复合材料，在常温下模压成型，再通过 1 000 oC埋碳碳化烧结工艺制备双极板。通过按不同的比例将中间相碳微球与石墨配成原料，来对比双极板的性能 ，得出采用 90%的中间相碳微球和 10%的石墨会取得较佳的综合性能，同时制造成本低、生产效率高。但是由于热处理的温度高达1 000 oC，使得制成的双极板的表面仍存在-些凶和微裂纹，而且也使双极板的制造周期变长。

为了改善在双极板制造过程中不可避免的产生小孑L的问题，王明华等 采用真空加压的方法将石墨双极板浸渍在硅酸钠浓溶液中，再加酸加热使之转变成SiO ，使石墨板气孔率由18.2%降低到3.3%以下 ，保证在0-3 MPa H2压力下不透气，且浸渍后的石墨板电阻也不增加，有效改善了双极板I生能。

但是，这种方法使得制造双极板的周期变长，生产效率低。同时，真空度为 -0.1 MPa，压力为0.6 MPa的实验条件能否保证所生产的双极板的性能还有待探究。Nannan Guo等 。。采用选择性激光烧结工艺来制作复合石墨双极板，与传统的制作方法(如压缩铸造和喷射铸造等)相比，该方法能显著地缩短制作周期并降低生产成本 ，而且可供选择的原材料非常广泛 ，包括天然石墨、合成石墨、碳纤维和炭黑等不同的石墨材料都可用来制作双极板。

1.2 金属石墨材料以其良好的耐腐蚀性能和较低的表面接触电阻成为制作双极板的主要材料，但它的可制造性、阻气性和耐久性等均不如金属材料n ，而且金属材料优于石墨材料的方面还有：更好的导电性和更高的机械性，加工方便且成本也相对较低。铝、钛、镍以及不锈钢都是制作金属双极板的常用材料，其中不锈钢双极板的应用更为广泛，这主要是由于不锈钢是低成本材料，且具有适宜的强度和化学稳定性。

但是，金属材料的耐腐蚀问题是亟需解决的关键问题之-l 。虽然金属双极板的表面会形成氧化膜或钝化膜 ，可以提高耐腐蚀性能，但随之而来的是它会引起接触电阻的增加。对金属双极板进行表面改性处理，使之在提高金属板耐腐蚀性能和化学稳定性的同时，又能降低接触电阻，成为当前金属双极板研究的主要方向。付宇等m 在316L不锈钢表面上沉淀致密的铬的氮化物梯度薄膜，使得表面改性后的不锈钢双极板界面的导电性、耐腐蚀性等相较于未处理的3 16L不锈钢基体有显著地提高。刘晶等 也提出-种利用等离子体渗氮技术对质子交换膜燃料电池钛基金属双极板表面改性的方法 ，并从理论上分析了该方法的可行性。

第5期 冷巧辉，等：燃料电池双极板材料及其流场研究进展 · 515 ·金属双极板的材料主要有3类：①铁基合金，主要包括不同材质的不锈钢，如310、316等；②轻金属，如Al、Ti、Ni等；③以轻金属或不锈钢作为基体并具有表面涂层的材料 ，其 中研究较多的涂层有金属的碳化物、氮化物、贵金属等，不同形式的碳粒子也可以成为涂层材料的-部分。

Hornung等 对多种铁基合金双极板进行研究，并与镀金镍基金属板进行了对比，得出的结论是 ：理论上，铁基合金可以作为制作固体氧化物燃料电池双极板的材料。黄乃宝等n 指出导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢的改性将成为今后薄层金属双极板研究的主要方向。Davies等n 认为双极板与MEA之间的界面接触电阻能够极大地降低燃料电池的输出功率，并通过评估和测试不同的燃料电池双极板材料，指出不同类型的不锈钢双极板的界面接触电阻与燃料电池的工作过程中双极板表面形成的氧化层的厚度有直接的关系。

1.3 复合材料复合双极板是以薄层金属板或其他高强度导电板作为分隔板，以注塑或焙烧法制备的有孔薄碳板或石墨板作为流冲。复合双极板结合了石墨双极板和金属双极板的双重优点 ，具有价格便宜、体积孝强度高、抗腐蚀性能好等优点，能显著提高燃料电池组的体积比功率和质量比功率，是双极板的发展趋势之-，但也存在如导电性和机械性能较差的缺点。

石墨双极板存在的机械加工性能差、流道加工困难、制备成本高等问题。为解决这些问题，目前主要采用在石墨中加人树脂、聚乙烯、聚丙烯等有机聚合物以降低石墨板脆性的方法。加人纤维的方法用以改善其机械性能，加入金属颗粒的方法用以增强其导电性；而且石墨复合双极板的流成经压模来获得，流秤工的费用也比石墨板或金属板的低；并采用浸渍的方法来减少石墨的透气性和降低流冲的加工厚度。但是复合材料也仍然存在-些缺点：由于树脂不具有导电性，会增大极板的电阻，导致极板的导电性能下降n 。

Zhang Jie等n 研究了石墨颗粒的尺寸和形状对双极板导电性、承载强度等特性的影响，试验结果表明，对于鳞片状石墨或者球形石墨，双极板的导电性和导热性均随石墨颗粒尺寸的减型尺寸分布范围的扩大而降低。如果都采用球形石墨颗粒，那么复合双极板的导电性及弯曲强度均会提高，但是垂直于受力方向的导电性能将会明显降低。

天津大学潘朝光等 突破了传统的以鳞片状石墨为主要的复合板材料，将膨胀石墨作为基材来制备复合板，得到了阻气性能稍优于柔性石墨板，导电性能高于柔性石墨板的复合材料，而且成本远低于硬质石墨板。

陈惠等 在研究膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板中，以膨胀石墨为导电材料，炭黑为添加剂，酚醛树脂为黏结剂，采用模压成形的方法制备复合双极板，并通过实验考察了树脂的含量、成形的压力、添加剂的用量和添加剂的加入方式对复合双极板性能的影响♂果表明：这些因素均能对复合双极板陛能产生较大的影响。树脂的加入量的最佳范围为20%～30%，合适的成形压力为 10 MPa～12 MPa，炭黑的合适范围为5%左右。

杨涛等 以热塑性树脂聚苯硫醚和中间相碳微球为主要原料，利用模压工艺来制作燃料电池复合双极板，并通过实验研究了树脂的含量、成型时间以及碳纤维对双极板性能的影响。实验结果表明：树脂质量分数为20%的双极板的综合性能达到最佳，双极板成型时间不应少于30 min，碳纤维的添加有利于提高双极板的各项性能。由于流场道双极板的成型过程中可以直接获得，这样就极大地节约了制造双极板的成本。

杜超等 选取乙烯基酯树脂 、膨胀石墨板材为原料，采用真空浸渍并结合模压的方法来制备复合双极板 ，并通过实验考察了微观结构和成型压力对双极板材料的导电性 、密封性 、机械性及表面亲/憎水性的影响。实验结果表明：随着成形压力的增加，双极板的电阻下降，导电性能上升；双极板的渗透性将降低，密封性增强。乙烯基酯树脂和膨胀石墨复合材料被认为是-种很有前景的双极板材料。

寻找性能优良并且成本低廉的双极板材料和制造方法已成为燃料电池商业化技术研究中的重要课题。西格里技术股份有限公司的Muler A等 通过利用注塑机测试热塑性和热固性材料的成型情况并得出结论 ，采用拈化模具技术可以注射成型石墨复合材料双极板。该技术通过更换不同镶块便可生产出满足客户特殊要求的流场形状，大大降低了双极板制造成本。

曾宪林等 选熔乙烯耐温树脂，用注塑机-次成型再利用高压挤压制成高强度、抗腐蚀、耐工作温度的塑料双极板，并在其表面镀覆-层起导电作用的耐腐蚀合金。用该方法制作双极板既简单又廉价，还可降低燃料电池成本，并保证运行过程的稳定性。

上夯通大学的骆兵等乜 采用低温催化石墨化的方法来制备双极板，也就是将中间相炭微球和催化剂溶液混合后球磨，再加热，再采用模压成型的方法得到含完整流道的双极板素坯，并将之低温石墨化处理再 自然冷却至室温，最后进行清洗处理和干燥处理，便制成了所需的双极板。该方法可满足燃料电池机 电 工 程 第3O卷双极板高性能及低成本的要求，为制备高性能及低成本的双极板提出了新的路径。

2 燃料电池双极板表面的流场形式2.1 常规流场形式流场的基本功能是引导反应剂流动方向，确保反应剂均匀分配到电极各处，同时能及时排出电池运行过程中的生成物。而双极板表面流场形式决定了反应气与生成物在流场内的流动状况，因此双极板表面流场形式对燃料电池性能及运行效率均有重大影响，合适的流场设计能使燃料电池功率密度提高50%左右 。

常规流场形式主要有 ：点状流尝平行直流尝蛇形流尝交指形流尝网状流尝螺旋流场等 ，但各种流场形式均有不足之处，其主要优、缺点如表1所示。

对于平行直流场而言，可以通过改变沟与脊的宽度比和通道的长度来改变流经沟槽的反应气的线速度，来排出液态水。变截面直通道流场是平行直流场的-种改进流常由于流池面的变化，气体沿流道方向的速度和浓度均会发生变化，从而提高了反应气的利用率。Johnson M C等 设计了-种斜流道流场，表1基本流场的主要优缺点变截面直通道流场如图3所示。它是平行直流场的-种改进形式，这种流场的流道尺寸沿流动方向逐渐变大或缩小，且相邻两个流道的进出口尺寸也不-样，使在相邻的流道之间形成压力差，使反应气能更好地扩散到岸的下面，有效促进了气体在扩散层的流动；但是变截面流场给制造带来较大难度。

图3 变截面直通道流场对于蛇形流场而言，则可通过改变沟与脊的宽度比、通道的数目和沟槽的总长度来调整反应气流动的线速度 ，来排出液态水ˉ变式蛇形流翅构在蛇形流场中的应用较为普遍，它除了具有蛇形流场的优点外，对它固有的缺点也进行了改进。Dingrong Bai等b。

发表的渐变式蛇形流场如图4所示。反应气进人流场中，进 口流道有 13条，出口有5条，这种渐变式蛇形流成以维持充足的气体流量和流速，确保多余的水能顺利的排出。

图5 改进交指形流场示意图2.2其他形式的流场为了提高流场中流体分布的均匀性，Jason P。

Kloess等 提出了两种分别以动物肺部组织结构及植物叶脉组织结构为原型的仿生型分形流场(如图6所示)，并指出这两种流场的压降均小于常规的蛇形或交指型流场，流体分布也更均匀。实验测试结果表明，在相同条件下，两种流场的最大功率密度均比常第5期 胥 志，等 ：电动汽车电驱动系统辅助电源设计 ·523 ·经系统实验性能测试 ，结果表明，本研究所设计的辅助电源具有结构简单、性能良好的技术优势，实现了在输入电压宽范围变化时系统多路电压的稳定输出；所采用的RCD电路既能保护开关管又能保证系统的效率，同时，还通过-、二次侧间加合适的Y电容抑制了共模噪声。目前 ，该方案可 以直接应用于电动汽车的电驱动系统 。