宋鵬翔，譙 耕，胡 曉，宋 潔，康 偉，夏曉健，徐桂芝，鄧占鋒

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)歐洲研究院，德國 柏林 10623；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209；3.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007)

1 引言

2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上鄭重提出了中國的碳中和目標(biāo)，即“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。碳達(dá)峰是指我國承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達(dá)到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。碳達(dá)峰是二氧化碳排放軌跡由快到慢不斷攀升、到達(dá)年增長率為零的拐點(diǎn)后持續(xù)下降的過程，直到碳排放量與碳清除量相抵，實(shí)現(xiàn)碳中和。從碳達(dá)峰到碳中和的過程，就是經(jīng)濟(jì)增長與二氧化碳排放從相對(duì)脫鉤走向絕對(duì)脫鉤的過程。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)愿景的提出將中國的綠色發(fā)展之路提升到新的高度?；?060年碳中和愿景，以及國家能源安全新戰(zhàn)略和確立未來綠色發(fā)展之路的綜合考慮，我國能源轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模開發(fā)利用清潔能源，提高電能在終端用能中的比重，大幅提高能源利用率，應(yīng)用深度減排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源低碳化發(fā)展。我國能源變革進(jìn)程進(jìn)入加速通道，能源系統(tǒng)將面臨新的挑戰(zhàn)。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)愿景要求中國建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，建立清潔、低碳、高效、安全的現(xiàn)代化能源生產(chǎn)和消費(fèi)體系。為確保我國“雙碳”愿景的順利實(shí)現(xiàn)，必須采取清潔高效手段平抑源荷側(cè)波動(dòng)，保障能源體系安全穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能與能源轉(zhuǎn)化的技術(shù)支撐和創(chuàng)新應(yīng)用價(jià)值顯得尤為突出[1]。

國家電網(wǎng)將充分發(fā)揮龍頭企業(yè)引領(lǐng)作用，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈上下游，共同推動(dòng)能源電力從高碳向低碳、從以化石能源為主向以清潔能源為主轉(zhuǎn)變，積極服務(wù)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。國網(wǎng)要當(dāng)好達(dá)成雙碳目標(biāo)的“引領(lǐng)者”“推動(dòng)者”與“先行者”，引導(dǎo)綠色低碳生產(chǎn)生活方式，推動(dòng)全社會(huì)盡快實(shí)現(xiàn)碳中和，必須加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新。充分發(fā)揮電網(wǎng)“橋梁”“紐帶”作用，促進(jìn)能源生產(chǎn)清潔化、能源消費(fèi)電氣化、能源利用高效化，推動(dòng)能源電力行業(yè)盡早以較低峰值達(dá)峰。國網(wǎng)落實(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”的主要路徑是大力發(fā)展可再生能源，建設(shè)以新能源為中心的能源互聯(lián)網(wǎng)[2]。

氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的無碳能源是國際公認(rèn)的清潔可再生能源，它因具有資源豐富、零污染、能量密度高(理論能量密度是汽油的3倍，可達(dá)13 kWh/kg以上)、存儲(chǔ)時(shí)間長、安全可控、無地理?xiàng)l件限制、功率變化范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源，受到了世界各國的關(guān)注。氫氣可由水電解制取，電解制氫過程是綠色能源到綠色能源的循環(huán)過程，日本、美國、德國、韓國等發(fā)達(dá)國家均制定了中長遠(yuǎn)的氫能創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃。2016年3月我國發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030)》將氫能與燃料電池列為15項(xiàng)能源技術(shù)革命重點(diǎn)任務(wù)之一，標(biāo)志著氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)納入我國能源戰(zhàn)略?！吨袊圃?025—能源裝備實(shí)施方案》、《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》、《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等均將氫能和燃料電池列為重點(diǎn)發(fā)展方向。

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)具有高能量密度，對(duì)各種負(fù)載的良好響應(yīng)，低溫運(yùn)行以及快速啟動(dòng)能力，因此被認(rèn)為是一種具有潛力的新能源發(fā)電設(shè)備。PEMFC是最常見的燃料電池，是燃料電池應(yīng)用的主力軍。雙極板是燃料電池中研究最深入的部件之一。雙極板在電池電堆中具有重要的功能：均勻分布燃料氣體和氧氣，從相連接的下一個(gè)單電池的陽極到陰極收集和傳導(dǎo)電流，從而集成為達(dá)到電壓需求的燃料電池堆，通過適當(dāng)?shù)膬?nèi)部水管理，散熱和通過維持夾持壓力來支撐膜電極組件(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)。燃料電池雙極板的開發(fā)正成為燃料電池行業(yè)研究的關(guān)鍵。雙極板可主要分為三種材料類型：石墨基、金屬基和聚合物基[3]。其中，石墨基的機(jī)械強(qiáng)度較低，且石墨的工序煩瑣，從而增加了燃料電池的生產(chǎn)成本[4,5]，逐漸被棄用。與其他材料相比，金屬板在成本和性能方面具有優(yōu)勢，不銹鋼(Stainless Steel，簡稱SS)的表面形成鈍化膜有助于減少材料腐蝕。根據(jù)鋼的等級(jí)和工作環(huán)境，鈍化膜的厚度為1 nm-3 nm不等。盡管鈍化膜減緩了不銹鋼材料的腐蝕速度，但同時(shí)也增加了雙極板和碳之間的界面接觸電阻[6]。金屬基雙極板其他優(yōu)點(diǎn)還包括出色的導(dǎo)電性，較小的透氣性，易于批量生產(chǎn)，厚度薄和重量輕。但是，它們在雙極板的苛刻電化學(xué)工作環(huán)境(水和pH-4的存在)中依然容易被腐蝕而失效，進(jìn)而容易損壞催化劑[7]。適用于燃料電池商業(yè)應(yīng)用的新型雙極板必須具備金屬、石墨材料綜合的優(yōu)良特性。因此，碳基復(fù)合材料可能是金屬雙極板的最佳選擇和良好替代。數(shù)十年來，已經(jīng)進(jìn)行了大量材料研究來改善雙極板性能并降低成本。已使用的主要填料是天然石墨，合成石墨，膨脹石墨或片狀石墨，碳納米管，炭黑和碳纖維[8-10]。另一方面，已使用的主要聚合物填料是熱固性塑料中的酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂，聚乙烯酯(VE)和熱塑性塑料中的聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚丙烯(PP)，聚乙烯(PE)和聚苯硫醚(PPS)族聚合物[11-13]?？傮w而言，含碳基填料對(duì)導(dǎo)電性和其他電化學(xué)性能的貢獻(xiàn)更大，而樹脂基體對(duì)機(jī)械性能和成本的貢獻(xiàn)更大。

相對(duì)于其他類型的燃料電池，如堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，簡稱AFCs)、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)等，PEM燃料電池可靠性高，啟動(dòng)時(shí)間快，工作溫度范圍在60 ℃-80 ℃之間[14]。PEMFC將可再生燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它取決于外部燃料的持續(xù)供應(yīng)，理論轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%[15]。電池單元分別提供0.5 V-0.7 V的輸出電壓，因此它們通過雙極板串聯(lián)堆疊在一起，總效率取決于單個(gè)電池單元[16]。而雙極板是其關(guān)鍵組件之一。雙極板的質(zhì)量占據(jù)了燃料電池總質(zhì)量的80%以上，而且雙極板的價(jià)格占燃料電池總價(jià)格的近50%[17,18]。為了增加單元之間的連接性，雙極板需要很好的導(dǎo)電特性。同樣，為了保持夾緊壓力，根據(jù)美國能源部(DOE)的路線規(guī)劃，極板應(yīng)具有良好的機(jī)械性能，例如抗彎強(qiáng)度>25 MPa。表1說明了美國對(duì)雙極板的主要要求。

表1 美國能源部2020年對(duì)于雙極板的技術(shù)目標(biāo)Table 1 U.S. Department of Energy’s 2020 technical goals for bipolar plates.

PEMFC的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高，功率密度高，工作溫度低，因此啟動(dòng)迅速。雙極板對(duì)電堆的體積，重量，成本和性能有很大影響，而影響其商業(yè)化的主要障礙是雙極板的其成本和耐用性。

2 各種材料對(duì)雙極板復(fù)合性能的影響

目前，市場上氫燃料電池的雙極板材料有石墨、金屬和復(fù)合材料三類。石墨材料是最早開發(fā)用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的材料，其優(yōu)勢是耐腐蝕性強(qiáng)，耐久性高，但不足的是制作周期長，抗壓性差，成本高，目前廣泛應(yīng)用于專用車與客車。金屬雙極板強(qiáng)度高、韌性好，而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，功率密度更大，可以方便地加工制成很薄的雙極板(0.1 mm-0.3 mm)，主要應(yīng)用于乘用車，如豐田新一代的Mirai轎車采用的就是金屬雙極板，其燃料電池模塊功率密度達(dá)到5.4 kW/L。復(fù)合材料雙極板兼具石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高強(qiáng)度特性，未來將向低成本化方向發(fā)展。目前國際市場上，歐、美、日地區(qū)石墨、金屬雙極板整體較強(qiáng)，美、英復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國內(nèi)石墨雙極板較成熟，個(gè)別廠商生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)國際先進(jìn)水平。金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究較晚，技術(shù)仍有較大提升空間。不同技術(shù)路線的雙極板技術(shù)特點(diǎn)比較總結(jié)在表2中。

表2 雙極板主要技術(shù)路線對(duì)比Table 2 Comparison of main technical routes of bipolar plates.

含碳復(fù)合雙極板，尤其是石墨，密度很高，使得雙極板的重量很大。而且由于石墨碳基材料的流道制造非常復(fù)雜，且脆性較高，因此在大多數(shù)交通運(yùn)輸應(yīng)用中不推薦使用。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域通常更傾向于廉價(jià)的可大規(guī)模生產(chǎn)的材料。金屬材料目前已經(jīng)成為優(yōu)先選擇，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有高導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性，較低的氣體滲透性，且流道加工過程簡單。在PEM燃料電池中，大多數(shù)金屬雙極板仍有在惡劣的條件下較易腐蝕的缺陷。金屬雙極板腐蝕后釋放金屬離子產(chǎn)物(Fe3+，Cr2+，Ni2+)致使膜電極中的催化劑層中毒。金屬雙極板的腐蝕也會(huì)導(dǎo)致金屬板和氣體擴(kuò)散層之間的界面接觸電阻明顯增加，從而導(dǎo)致電池堆的性能下降。為了改善雙極板的抗電化學(xué)腐蝕能力和界面接觸電阻，其中一些研究提出在金屬表面制備一種導(dǎo)電性高且非常薄的保護(hù)層，不同的團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)發(fā)表了一些關(guān)于這種路線的特定材料及工藝的研究[19,20]。

另一種用于雙極板制造的材料體系是復(fù)合材料。在雙極板的制造中，熱固性塑料和熱塑性塑料均可被用作樹脂基體。但是，熱固性塑料比熱塑性塑料具有更高的強(qiáng)度，抗蠕變性和更低的韌性，因此更為方便。盡管熱固性塑料更脆，但通常還是最普遍的選擇，因?yàn)樗鼈冊诟邷叵戮哂懈玫某叽绶€(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。通過較高的成型壓力和較長的成型時(shí)間可以消除熱固性加工過程中形成的某些氣體，例如氫氣，氨氣和水蒸氣。在利用石墨-高分子復(fù)合材料提高雙極板性能方面取得了很大的進(jìn)展[21,22]。德國杜伊斯堡燃料電池技術(shù)中心等研究機(jī)構(gòu)也提出了基于熱塑性塑料和碳化合物的雙極板的方法[23]。中國臺(tái)灣清華大學(xué)也研發(fā)了一種乙烯基酯-石墨復(fù)合雙極板[24]，其中包含一種團(tuán)狀模塑料，其特性和石墨板接近。熱塑性材料應(yīng)用的主要困難在于較高溫度下較高的黏度，因此熱塑性聚合物比熱固性塑料使用更少的填料。為了克服這個(gè)問題，可以應(yīng)用較短的熱塑循環(huán)時(shí)間和無溶劑工藝。印度國家物理實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)通過使用帶有極性基團(tuán)的聚合物可以提高電導(dǎo)率，這些極性基團(tuán)電子更容易極化或離域[25,26]。因此需要對(duì)熱塑性塑料進(jìn)行更多的研究，尤其是要提高其導(dǎo)電率達(dá)到DOE或者更高的指標(biāo)[27-29]。

2.1 石墨

石墨因其優(yōu)異的耐腐蝕性，高電導(dǎo)率和低比重而被用作最常見的雙極板材料。石墨是碳的結(jié)晶形式，具有金屬性質(zhì)，例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，以及非金屬性質(zhì)，例如惰性和高耐腐蝕性。石墨晶格由二維石墨烯片層組成，碳原子的面內(nèi)和面外鍵合之間存在差異，因此石墨被認(rèn)為是各向異性的。相鄰的石墨烯層通過弱范德華力維持結(jié)構(gòu)。石墨具有導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。片狀石墨比球形石墨具有更高的電導(dǎo)率[30,31]，但由于球形石墨材料具有較高的填料載量，其加工性能至少提高了五到十二倍[23]。石墨沿晶體層狀結(jié)構(gòu)都是導(dǎo)電的，但垂直于平面方向的導(dǎo)電性非常低，這會(huì)影響雙極板在貫穿平面方向上的導(dǎo)電性。英國巴斯大學(xué)研究了混合碳體系與石墨粉和連續(xù)碳纖維織物的協(xié)同效應(yīng)，并觀察到填料含量為70%-75%體積分?jǐn)?shù)時(shí)的最佳電導(dǎo)率[32]。輔助填料通常與石墨一起使用，以增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。韓國仁荷大學(xué)提出各種不同的填料組合，使用具有不同的粒徑天然和合成石墨[30]。與合成石墨板相比，帶有天然石墨的板顯示出更高的電導(dǎo)率，但抗彎強(qiáng)度卻更低。但是，它可能因天然石墨的來源及其結(jié)構(gòu)而異。石墨在室溫下導(dǎo)電率約為104 S·cm-1，同時(shí)具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，石墨脆性高，流道加工具有一定的挑戰(zhàn)性，一般通過增加石墨的厚度來降低脆性，但這也增加了燃料電池的重量和體積，這是其主要缺點(diǎn)。

2.2 膨脹石墨

膨脹石墨是通過利用不同的化學(xué)種類進(jìn)行改性，由天然石墨經(jīng)插層得到。這種石墨具有蠕蟲結(jié)構(gòu)，顯示出更高的電導(dǎo)率，因?yàn)殚L徑比越高，層間黏合越少；它比常規(guī)石墨在顆粒之間形成更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。低純度的填料會(huì)使復(fù)合材料的導(dǎo)電性降低，長徑比對(duì)導(dǎo)電性的影響可能比純度更重要。更大的表面體積比可確保更多的顆粒間接觸。例如，碳纖維和碳黑縱橫比的增加會(huì)降低導(dǎo)通閾值。決定填料分散和團(tuán)聚條件的重要參數(shù)是在混合或加工過程中施加在材料上的剪切力。四川大學(xué)研究了石墨層的膨脹過程[33]。在較高的溫度下(例如800 ℃-1 000 ℃)或在微波輻射下，石墨層分離呈現(xiàn)出松散的多孔結(jié)構(gòu)，膨脹過程會(huì)部分破壞晶體結(jié)構(gòu)，使石墨沿c方向膨脹，并使總體積增加百倍以上。膨脹石墨具有100 nm至400 nm的納米片層，并且對(duì)聚合物表現(xiàn)出良好的結(jié)合力。另外，在較薄的溶劑中超聲處理后，通過聚合物的高速剪切，可以從膨脹石墨中獲得分散的納米片(～30 nm-80 nm)。目前因?yàn)榕蛎浭邔?dǎo)電性成為最有潛力制備雙極板的材料之一，除此之外膨脹石墨具有高長徑比的特點(diǎn)，也是適合雙極板制備的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 碳黑

碳黑是主要通過熔爐或乙炔工藝合成生產(chǎn)的元素碳的另一種形式。有時(shí)也有作為增強(qiáng)橡膠制品的添加劑使用。這種材料的顆粒大小為100 nm至2 mm，但與聚合物混合后會(huì)形成30 nm-100 nm長的團(tuán)聚體。它可以用作輔助填料，并在相對(duì)較低的填料負(fù)載下產(chǎn)生高電導(dǎo)率。它具有高度分支和高表面積的結(jié)構(gòu)，因此可以在低濃度下接觸大量的聚合物。印度理工學(xué)院等人[34]表明，諸如碳黑和碳纖維之類的次要填料具有臨界閾值含量。這些填料的含量高于5體積分?jǐn)?shù)就會(huì)降低復(fù)合材料的電導(dǎo)率。在該填料含量(體積分?jǐn)?shù)：天然石墨60%，碳黑5%，碳纖維5%)下，彎曲強(qiáng)度也可以達(dá)到最佳。馬來西亞國立大學(xué)研究了碳黑(10wt%)作為輔助填料的效果，發(fā)現(xiàn)，隨著在制造過程中高成型壓力，復(fù)合材料的孔隙率大大降低[35]。炭黑的形態(tài)比較復(fù)雜，雖然也是有潛力作為雙極板的備用材料，但是由于它的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性較差，降低了它對(duì)商業(yè)用途所需的雙極板的適用性。

2.4 碳納米管

碳納米管的結(jié)構(gòu)一般直徑在1 nm～50 nm之間，長度可遠(yuǎn)小于1 mm[36]。盡管碳納米管是改善復(fù)合雙極板性能的非常有效的填料，但是由于碳納米管極易團(tuán)聚，將其分散在聚合物基質(zhì)中是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。這是由于它們的納米級(jí)尺寸和高表面能決定的。與單一填充劑復(fù)合材料相比，碳納米管如果能夠適當(dāng)分散將是一種有效的填充劑，可同時(shí)提高彎曲強(qiáng)度和導(dǎo)電性(面內(nèi)和貫穿面)。但是也存在導(dǎo)通閾值濃度。例如，馬來西亞國立大學(xué)研究認(rèn)為，作為次要填料，碳納米管的臨界閾值重量百分比為5wt%(在20wt%的環(huán)氧基質(zhì)中)[36]。高于該閾值，導(dǎo)電性和強(qiáng)度將降低。還有采用1wt%的填料負(fù)載量的相關(guān)研究[37-39]。此外，還研究了通過納米結(jié)構(gòu)填料改善復(fù)合雙極板特性的可能性。但是碳納米管成本很高，因此只可能作為少量高性能添加劑來使用，同時(shí)需要探索低成本應(yīng)用路徑。

2.5 碳纖維

碳纖維主要由聚丙烯腈(PAN)制造，縱橫比高，碳含量在90%左右。盡管其固有電導(dǎo)率較低，但在提高強(qiáng)度和剛度方面效果較好，強(qiáng)于石墨[40]。印度瓜哈提理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)最佳碳纖維長度為1毫米左右。碳纖維可以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能[41]。其對(duì)電導(dǎo)率的提高增加取決于縱橫長徑比。長徑比越高，復(fù)合材料的導(dǎo)通閾值越小。然而，增加縱橫長徑比也會(huì)帶來一些缺點(diǎn)，例如孔隙率的增加，這會(huì)增加雙極板中的氫滲透。另外，碳纖維的團(tuán)聚增加了復(fù)合材料的體電阻率，因此需要優(yōu)化碳纖維含量。巴斯大學(xué)制備了具有平紋編織碳纖維和環(huán)氧基質(zhì)的碳聚合物復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在相同厚度下，體電阻比具有單向碳纖維的復(fù)合材料小50%[32]。

2.6 聚合物填料

熱塑性塑料和熱固性聚合物對(duì)復(fù)合材料機(jī)械性能的影響最大，同時(shí)聚合物通過對(duì)導(dǎo)電填料的潤濕和分散，也有助于調(diào)控復(fù)合材料的電氣性能。最重要的是，它們的黏度，固化溫度，冷卻要求，極性基團(tuán)的存在是影響雙極板的加工方法的決定性因素。一般而言，熱固性塑料是首選，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩膹?qiáng)度和抗蠕變性以及熱穩(wěn)定性[42]。而且由于固化后不需要冷卻，因此生產(chǎn)過程可以更快。另一方面，熱塑性塑料需要更長的時(shí)間來冷卻，并且通常在加工后需要去除表面殘留。這不利于復(fù)合材料的電氣和機(jī)械性能。另一個(gè)問題是，由于它們的高熔融黏度，用量通常很小，導(dǎo)致無法充分浸漬導(dǎo)電填充體造成較差的電氣和機(jī)械性能。韓國全北大學(xué)通過使用溶膠-凝膠法制備了PP/PE/MWCNT(多壁碳納米管)復(fù)合材料，溶劑在預(yù)浸漬過程中與聚合物凝膠一起使用，使得電導(dǎo)率以及浸漬水平同步得到保證[43]。聚合物樹脂主鏈中極性基團(tuán)的存在有助于填料的均勻分散，并有助于改善填料層之間的電子轉(zhuǎn)移。例如，酚醛樹脂具有極性基團(tuán)和雙鍵，因此它們易于極化[44]。聚丙烯在其主鏈中沒有極性基團(tuán)，因此在改善雙極板的電導(dǎo)率方面效果不佳[45]。填料和聚合物基質(zhì)之間的表面能差異是要考慮的另一個(gè)重要因素。如果差值較大，則聚合物不能適當(dāng)?shù)貪櫇裉盍项w粒的表面，從而引起非均勻分散，從而對(duì)雙極板的性能產(chǎn)生不利影響。在制造過程中使用增容劑可能是提高雙極板性能的一種方法。韓國首爾大學(xué)發(fā)現(xiàn)使用馬來酸酐接枝聚丙烯(MA-g-PP)作為主要聚合物，并使用順丁烯二酸酐接枝苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(MA-g-SEBS)作為增容劑可以幫助提高樹脂的電導(dǎo)率[46]。中國臺(tái)灣清華大學(xué)也通過使用聚丙烯接枝的順丁烯二酸酐(PP-g-MA)和多壁碳納米管的工藝，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)70.9%的抗彎強(qiáng)度和高達(dá)473%的整體電導(dǎo)率的改善[47]。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)總結(jié)影響復(fù)合材料雙極板的材料及其關(guān)鍵影響因素。

(1)影響電性能的主要參數(shù)是填料的類型，取向和分散性以及聚合物基質(zhì)的結(jié)晶度。影響機(jī)械強(qiáng)度的參數(shù)是聚合物基體的類型，表面能，填料-聚合物界面性質(zhì)以及纖維增強(qiáng)材料的類型。

(2)影響電氣和機(jī)械性能的外部參數(shù)是過程溫度，壓力和成型時(shí)間。因此，應(yīng)針對(duì)不同的填料-聚合物對(duì)進(jìn)行不同的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。

(3)碳黑，碳纖維，碳納米管和膨脹石墨是潛在的填充材料，可以提高雙極板的性能，盡管它們具有各自的臨界閾值，在該閾值以上可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚。對(duì)于聚合物，導(dǎo)電聚合物和相容劑的使用有助于改善電氣和機(jī)械性能。

(4)填料的長徑比是要考慮的關(guān)鍵因素，因?yàn)榧?xì)長顆粒比圓形顆粒產(chǎn)生更好的效果。然而，兩種或更多種不同尺寸的填料可用于通過在顆粒之間產(chǎn)生較少的空隙空間來獲得附加的導(dǎo)電路徑和更好的電荷分布。在這種情況下，團(tuán)聚或適當(dāng)分散可能是較小尺寸的填料和納米顆粒的主要問題。