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氫燃料電池電堆將多個(gè)串聯(lián)的氫燃料電池單體、集流板和絕緣板等零部件封裝在一起，其中每個(gè)電池單體都由雙極板、膜電極以及密封件組成，每?jī)蓚€(gè)膜電極單元間就有一個(gè)雙極板。
雙極板又稱集流板，被稱為氫燃料電池的“骨架”。一般情況下，雙極板占電堆總質(zhì)量的60%-80%，占總成本的20%-30%。在燃料電池中，雙極板具備6大基本功能，即分離各個(gè)電池、輸送反應(yīng)氣體、提供電氣連接、去除水副產(chǎn)物、消散反應(yīng)熱、承受夾緊力。
雙極板作為PEM制氫和氫燃料電池的關(guān)鍵部件之一，基體材料需具備高強(qiáng)度、耐腐蝕性、氣密性好、高導(dǎo)電性等特點(diǎn)，材料的選擇將直接決定電堆輸出功率的大小和使用壽命的長(zhǎng)短。
按照材料的不同，目前市場(chǎng)上氫燃料電池的雙極板大致可分為三類：石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。
一、石墨雙極板
石墨雙極板是國(guó)內(nèi)PEMFC最常用的雙極板材料，其原材料主要有石墨粉和膨脹石墨：
石墨粉是一種礦物粉末，主要成分是碳單質(zhì)，具備良好的耐高溫性、可塑性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等。
膨脹石墨是一種新型功能性碳素材料，由天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥、高溫膨脹所得，具備天然石墨所沒(méi)有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性和耐輻射性等特性。
石墨雙極板的生產(chǎn)加工主要分為兩類:
一是膨脹石墨復(fù)合材料的板材，經(jīng)過(guò)光、成型、去除后滲透樹(shù)脂、硫化、粘合、密封硫化工藝，形成雙極板產(chǎn)品。
此工藝使用膨脹石墨材料，產(chǎn)品具有較高的導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性。該工藝也能有效滿足雙極板外形、表面幾何輪廓和機(jī)械尺寸的要求。
圖源：DT新材料
二是石墨粉末與樹(shù)脂混合材料的成型/注射成型工藝。此工藝?yán)檬勰┡c樹(shù)脂混合材料的特性，滿足產(chǎn)品表面疏水性要求。
石墨雙極板的優(yōu)點(diǎn)在于高耐久性和耐腐蝕性，而且成本相對(duì)較低，適用于客車、物流車、環(huán)衛(wèi)車、叉車等商用車領(lǐng)域。然而，石墨雙極板也存在一些缺點(diǎn)，如抗壓、抗彎強(qiáng)度低，導(dǎo)致易碎、組裝困難以及體積較大等不足。
二、金屬雙極板
金屬雙極板在成本和機(jī)械性能方面具有優(yōu)勢(shì)，逐漸占據(jù)市場(chǎng)主流。到目前為止，不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金、銅合金和金屬基復(fù)合材料均被應(yīng)用于雙極板制造，其中不銹鋼既包含了不銹鋼可塑性高的特點(diǎn)，也具備金屬良好的導(dǎo)電性，被認(rèn)為是金屬雙極板的最佳材料之一。
通常來(lái)說(shuō)，金屬雙極板采用沖壓與液壓成型工藝，用壓力裝置和剛性模具對(duì)板材施加一定的外力，使其產(chǎn)生塑性變形，即將0.1mm的超薄金屬板，沖壓成陰陽(yáng)單極板，后由兩塊單極板通過(guò)連接工藝對(duì)應(yīng)連接而成。
圖源：氫電邦
金屬板相對(duì)更薄，體積功率密度更高，更適用于高功率型電堆，廣泛應(yīng)用于乘用車。但金屬板的耐久性較差，受金屬材料影響，其制備成本較高，并且在高溫環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在酸性的反應(yīng)環(huán)境中易被腐蝕。
值得一提的是，金屬雙極板若實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，會(huì)極大程度降低生產(chǎn)成本，目前正成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。
三、復(fù)合材料雙極板
復(fù)合雙極板由兩種以上材料組成，合成其他材料，目前主要有碳/碳復(fù)合雙極板和石墨/聚合物復(fù)合雙極板。復(fù)合雙極板將石墨材料的耐蝕性與金屬材料的易加工、高硬度特性相結(jié)合，旨在克服石墨材料與金屬材料的缺陷。
現(xiàn)階段，以鋁合金、碳鋼等金屬合金與316L、310L不銹鋼為基底的陽(yáng)極板的表面改性成為研究熱點(diǎn)，主要包括碳基涂層表面改性、金屬氮化物涂層表面改性與聚合物涂層表面改性。
然而，復(fù)合材料雙極板的加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)過(guò)程繁瑣復(fù)雜，長(zhǎng)期工作可靠性較差限制了其廣泛應(yīng)用。并且，表面涂層技術(shù)對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，特別是表面電鍍貴金屬的成本過(guò)高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，但復(fù)合雙極板在特殊應(yīng)用場(chǎng)景中具有一定優(yōu)勢(shì)。
總結(jié)
圖源：百度
雙極板是燃料電池的重要構(gòu)成部件，尋找性能優(yōu)良且成本低廉的雙極板新材料和制備方法，是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的重要課題。在各種雙極板材料中，金屬雙極板在導(dǎo)電性、抗疲勞性等方面具有優(yōu)勢(shì)，較石墨雙極板更利于實(shí)現(xiàn)小型化，對(duì)提高燃料電池電堆的功率密度具有重要意義。
未來(lái)，開(kāi)發(fā)出優(yōu)良的耐蝕性、導(dǎo)電性涂層或新型的雙極板金屬材料將極大地促進(jìn)PEMFC在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用。不僅如此，技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)成本的降低同樣關(guān)鍵，加快雙極板產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，是降本增效的最直接途徑。
