陳思雨 張振

摘要：雙極板作為質(zhì)子交換膜的一個重要組成部件與其能在燃料電池中發(fā)揮出分配、分離并輸運反應(yīng)氣體、提供電氣連接以及去除副產(chǎn)物的關(guān)鍵性作用息息相關(guān);與此同時雙極板也為質(zhì)子交換膜燃料電池帶來了高額的成本。本文就溫度穩(wěn)定性以及材料耐腐蝕性為衡量標準綜述不同雙極板材料及其制備工藝，為將來研發(fā)更高成本優(yōu)勢，更好物理性能的新型雙極板金屬材料提供思想。

1 前言

當前世界各國對資源的過度采伐以及不合理利用，導致全球范圍的能源危機、化石燃料燃燒不充分產(chǎn)生環(huán)境污染和生態(tài)受損等問題，對全新、清潔的高效率能源的需求迫在眉睫，而擁有能量轉(zhuǎn)換率較高、環(huán)境污染程度低、工藝流程溫度低以及幾乎零排放等諸多理想優(yōu)勢的燃料電池成為前景最好、擁有巨大潛能的全新研究方向。但由于PEMFC溫度穩(wěn)定性和耐腐蝕性在成本上的制約，其無法成為完全可代替化石燃料規(guī)模性實施應(yīng)用。而雙極板作為最關(guān)鍵部位之一，對于材料的選取直接決定了燃料電池制備的成本高低以及技術(shù)限制問題，本文綜述不同雙極板材料及其溫度穩(wěn)定性，介紹不同雙極板材料燃料電池的應(yīng)用及提出展望。

2 石墨雙極板

石墨雙極板極具有導電性能好和溫度穩(wěn)定性強的特點，并有較高的耐腐蝕性和耐久性能，但其劣勢在于工藝流程難，制作成本高，加工周期長，產(chǎn)品體積較大，但目前難以滿足大批量生產(chǎn)的要求是其最大的弊端，無法規(guī)?；a(chǎn)利用仍是難以解決而又不得不面對的問題。雙極板作為提供氣體流道、建立陰陽兩極之間電路流通的隔板，對其厚度有著嚴格的機械要求。對此現(xiàn)有石墨雙極板都難以解決市場需求大問題和空隙問題，而改善方法思路是在混合其材料的工藝中加入碳纖維以提高其自身機械強度;再在工藝流程里加入金屬粉末用以提高其導電性能。總體來說，石墨雙極板市場前景好，但對其生產(chǎn)工藝有著嚴格的要求和推進需要。

3 金屬雙極板

目前可用于制作雙極板的諸多金屬材料中鋁，鎳，鈦及不銹鋼占比最重。金屬雙極板相比于石墨雙極板更易加工，規(guī)模性生產(chǎn)量高，工藝生產(chǎn)成本以及流程制造低;其又因為雙極板為保持良好阻氣作用，金屬雙極板厚度薄更是極為突出的一個優(yōu)勢，用以減少對電流及熱的傳到阻力。

然而其在使用過程中容易被腐蝕、耐久性能差以及溫度穩(wěn)定性弱的缺點也是無法忽視的關(guān)鍵性問題，對此的改善方法思路是在工藝流程中增加表面改性涂層保護工藝系統(tǒng)以增強其耐久性能和減弱被腐蝕程度和速度?？傮w來說，金屬雙極板市場需求可以滿足，但其生產(chǎn)工藝仍存在難以攻克的難題，在其導電性能上也相比較于石墨雙極板較弱。

4 復合材料雙極板

金屬與炭質(zhì)的復合材料經(jīng)所需工藝流程制成的材料混合型雙極板能夠在保留石墨材料其接觸電阻極小的優(yōu)勢的同時還能融合包含不銹鋼和鈦等金屬材料的表面均形成不導電的氧化物膜使接觸電阻增高的效果。與金屬材料所制成的雙極板相同的是其也可以在工藝流程上規(guī)模性生產(chǎn)制造，可達到市場需求的批量化生產(chǎn)，但其強度、導電性均不能達到以上兩種材料所制的雙極板的性能高度，與此同時材料混合型雙極板的工藝成本也相對較高。

5 燃料電池的溫度穩(wěn)定性

5.1 燃料電池的損失熱

燃料電池在工作時處于一個高溫的運行環(huán)境，因而電池中會有一部分組件之間出現(xiàn)熱膨脹行為而有極大的可能性導致電池內(nèi)部發(fā)生物理機械形變，從而致使電池退化甚至從內(nèi)部破裂。在金屬雙極板制作工藝中的沖壓與液壓成型工藝能使得產(chǎn)生塑性變形，這個過程是很復雜的，一旦電池內(nèi)部損壞將無法使用，即使返廠，其所能夠再利用的價值也很低了。而且沖壓、液壓成型工藝難度較大，因此凸顯燃料電池自身的溫度穩(wěn)定性就尤為重要了。

燃料電池通過自身對外界的溫度差進行熱輻射、在流程工藝中產(chǎn)生的氣體攜帶一部分熱量、生成的水以及冷卻液在降低溫度的同時帶走部分熱量的方式散發(fā)自身所產(chǎn)生的熱量，而燃料電池的能量利用率近似為50%，因此燃料電池在工作時產(chǎn)生的損失熱值與其所能提供的能量幾乎相等，所以就需要大量的冷卻液來降溫并帶走損失熱，以便維持燃料電池的正常運行和使用壽命。對于某些相對較大功率的燃料電池而言，無端的又增加了熱損失值，問題也就會暴露的更加明顯。因此，如果在冷卻液帶走熱量的同時添加燃料電池的冷卻裝置，這樣在帶走熱損失值得同時也可以添加循環(huán)利用的系統(tǒng)對熱損失進行盡可能的循環(huán)利用，這樣做的好處是不僅提高了燃料電池的溫度穩(wěn)定性、減少其自身產(chǎn)生的熱損失值，還能夠延長燃料電池的平均使用壽命。

5.2 燃料電池溫度控制系統(tǒng)

曾被廣泛采用的傳統(tǒng)的溫度熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)將燃料電池盡可能散熱的能力作為發(fā)展方向，在控制溫度、帶走損失熱量的工作過程中，較為強大的散熱能力確實是有利于燃料電池工藝系統(tǒng)對溫度穩(wěn)定性的控制，但其弊端也毫無保留的暴露出來，在高溫時，燃料電池（包含大功率燃料電池）一旦過載或者是接近過載，其自身產(chǎn)熱與環(huán)境溫度之間的較大溫差對散熱器的散熱能力便有了更為嚴格的需求，因此環(huán)境溫度越低，其驅(qū)動能力越大，燃料電池使用時長便會縮短，更有甚者會影響到燃料電池的使用壽命（額定功率越大，影響越大）。久而久之，燃料電池出現(xiàn)低負載的情況后，散熱器超負荷散熱導致的燃料電池溫度上下浮動，溫度穩(wěn)定性能更差。

針對傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)由于環(huán)境溫度降低而導致所需散熱能力增加，提出改進的燃料電池溫控系統(tǒng)及策略，在散熱系統(tǒng)中設(shè)有散熱風扇及熱傳感器和信號燈，指示燈亮起，風扇閥門打開，散熱增加;再在燃燒電池處于一定較高散熱量時，熱傳感器在指示燈發(fā)送信號亮起時，打開風扇運作閥門提高溫度變化而所需的散熱能力。在此應(yīng)注意的是根據(jù)具體燃料電池的額定功率調(diào)節(jié)合適風扇開啟（關(guān)閉）閥值范圍，可以有效避免溫度超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。其控制策略的改進點就在于熱傳感器在指示信號下自由調(diào)節(jié)應(yīng)對的閥值大小以滿足不同外界溫度變化以及燃料電池自身功率產(chǎn)熱的情況下對散熱裝置散熱能力的需求。

6 總結(jié)與展望

通過分析燃料電池使用壽命的長短、產(chǎn)熱的熱傳導效率及性能、生產(chǎn)制造工藝流程成本和復雜程度以及溫度熱穩(wěn)定性等諸多因素來判斷所選雙極板材料的好壞，決定其商業(yè)市場的需求量，是雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池的重要組成部分的意義所在。目前商業(yè)市場上依舊是石墨雙極板占主導地位，這是因為復合材料雙極板大多還處于一個未知的研究階段，因此結(jié)合金屬和炭質(zhì)材料的雙優(yōu)性能的研究具有極大的市場前景，追求更低成本、更利流水工藝和更大規(guī)模性生產(chǎn)鏈也是未來雙極板發(fā)展的一個主流方向。PEMFC作為新型清潔轉(zhuǎn)換能源，對其的利用與開發(fā)直接決定了將來環(huán)境問題處境的好壞，同時致力于探索研究新興的清潔能源，也將能直接改變空氣污染、生態(tài)損壞的現(xiàn)狀。

參考文獻

[1]劉穎，趙洪輝，盛夏，等.質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料及制備綜述[J].汽車文摘，2021（5）：48-54.

[2]李子君，王樹博，李微微，等.波形流道增強質(zhì)子交換膜燃料電池性能[J].清華大學學報（自然科學版）2021，61（10）：1046 1054.

[3]郭愛，陳維榮，劉志祥，李奇，車用燃料電池熱管理系統(tǒng)模型研究.電源技2014.12，38，5.