燃料电池双极板综述

燃料电池双极板综述摘要：本文主要以燃料电池双极板为论述对象，探讨当前双极板的发展现状。主要介绍了双极板的功能特点、分类、技术性能指标、国内外的研究现状等，并简略介绍了目前双极板流道流场的设计问题。目的是理清双极板的发展状况，认清双极板在燃料电池研究中的重要性。关键词：燃料电池、双极板、发展Reviewofbipolarplatesforfuelcells[Abstract]inthispaper,thebipolarplateoffuelcellisdiscussed,andthecurrentdevelopmentstatusofbipolarplateisdiscussed.Thispapermainlyintroducesthefunctionalcharacteristics,classification,technicalperformanceindex,researchstatusathomeandabroadofbipolarplate,andbrieflyintroducesthedesignproblemsofflowfieldofbipolarplate.Thepurposeistoclarifythedevelopmentofbipolarplatesandtheimportanceofbipolarplatesinfuelcellresearch.[Keyword]fuelcell,bipolarplate,development.1、引言能源是经济社会发展和提高人民生活水平的重要物质来源。传统的能源面临着不断消耗殆尽的局面，而同时环境问题也随之日益凸显。面对能源问题和环境问题，开发清洁、可持续发展的新能源成为了能源发展的主题。在各种新能源中氢能因其资源丰富，燃烧效率高而备受瞩目。而氢气燃料动力电池技术作为氢能的主要应用方面之一,具有效率高,无污染等特点,可以代替传统低效的汽车和内燃机,人们普遍认为，它已成为21世纪最具市场发展潜力的新能源技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的能量转换装置，可以将汽车中的化学能直接转化为电能，在汽车供电、固定电站等各种技术领域显示出巨大的实际应用价值。2、双极板功能特点双极板是PEMFC的核心部件，它的重量占燃料电池的60%左右，所需要的成本占燃料电池的30%左右。双极板的价格因素是燃料电池应用的一大阻碍。其中双极板的性能和成本是其商业化的焦点。因此双极板材料的研究在国内外已经成为了燃料电池研究的热点之一。双极板在燃料电池中有不可替代的作用。主要有如下几点：对电池的结构有支撑作用，能对外界的压力缓冲抗震。排出反应中的水。对电流有传导作用。散热、导热的作用。连接单体电池，使电池与电池之间具有联系。为了具备以上功能，使双极板能良好的运作并使双极板能够广泛地应用，它需要具备以下性能或特点：为了抗震并具备缓冲的作用，双极板的材料需要具备一定的机械强度，比如抗弯强度等。为了排出反应所产生的水，双极板需要有一定的输水性能。为了使双极板能够良好地散热导热，双极板需要有一定的导热、散热性能。为了使双极板能很好的传导电流，双极板需要导电性能。并且为了加快产业化应用，双极板的成本需要降低，重量也要减轻。3、双极板的分类燃料电池双极板所需要的工作特性决定了所使用的材料，因为不同材料能满足的特性是不同的，且材料的选择必须兼顾成本、导电性等方面的均衡。所以根据质子交换膜燃料电池双极板材料的不同，可以将双极板分为三类：石墨双极板金属双极板复合双极板优点：具有良好的耐腐蚀性、高导电性、化学稳定性。缺点：由于石墨双极板机械强度不高，在加工流道时容易产生断裂，故而需要增加厚度，但又会导致双极板的重量增加，不利于燃料电池的轻量化。故而虽然制备石墨双极板的技术已经成熟但因其成本高等因素逐渐被金属双极板和复合双极板所代替。与石墨比较，金属双极板导热、导电、机械性能优异且成本较低。目前制造金属双极板的材料主要有Au、Pt、TI及不锈钢。不过金属双极板有一个很大的缺陷就是抗腐蚀性弱。因为金属容易在双极板所处的酸性环境中产生化学反应，从而使催化剂中毒，影响燃电的性能。目前所采用的方式是在金属表面覆盖涂层来防止对金属的腐蚀。相比于石墨双极板有较好的机械性，相较于金属双极板有较好的抗腐蚀性，并且加工制备工艺简单，成本较低，所以近些年来对复合材料双极板的研究越来越多。4、双极板的性能技术指标双极板在还原、氧化的弱酸性环境中运行。燃料电池在运行时所处的温度为70℃左右，不锈钢双极板在这种温度下会产生一层钝化膜，在双极板所处的弱酸环境中有保护其不被腐蚀的功能。根据PEMFC的运行环境，美国能源部(DOE)2020年提出的双极板性能指标如下表所示。性能2020年性能指标要求单位抗弯强度＞25MPa拉伸率40％重量0.4Kg/kw成本3＄/Kw阴极腐蚀＜1μA/cm-2阳极腐蚀＜1或无活化峰μA/cm-2面电阻＜0.01Ω/cm2电导率＞100S/cm氢渗透率小于1.3×10-14Stdcm3/(scm2Pa)80℃，3atm%RTH双极板水路气路5、双极板国内外研究现状双极板的研究仍需要一个突破，目前国内外的研究已经有了不小的进展。在国内的复合材料双极板研究领域,郭晓倩[1]等人通过模压成型技术,以亲水式乙炔黑为主要填料,成功地研制出了一种性能卓越的水传送板,实现了对电池良好的水管理。中科院大连化物所杜超[2]等利用膨胀石墨板材真空浸渍树脂技术，成功开发出了一种性能良好的复合材料的双极板。在金属材料双极板的研究方面，曹彩虹[3]等人研究了金属双极板的表面改性，用电镀法增强了双极板的耐腐蚀性。付宇等人用物理气象沉淀法进行金属表面的改性。实验过后的金属耐腐蚀性提高。而在石墨材料双极板的研究中，清华大学的武涛[4]等对膨胀石墨的透气性进行了研究，利用测试设备研究了膨胀石墨板密度、厚度等对相对透气系数有何影响，发现柔性石墨有很小的相对透气系数，并且阻气性能稳定。许逸豪等采用膨胀石墨为基材，在其中夹金属丝等，再使用模压成型法制成膨胀石墨板，研究了制备过程对其机械性质和相关性的影响。在国外，在复合材料双极板的研究中，Hsiao[5]等通过在聚合物复合材料双极板制备过程中嵌入金属网然后模压成形，得到了金属基复合材料双极板。先将导电填料与聚合物相混合在一起，第二步就是在均匀的混合物放入模具的过程中嵌入铜网，之后再经热压工艺制备出铜网复合材料双极板。复合材料双极板嵌入铜网后热导率由原来的27.2w／mk增加到30w／mk。经过电池测试显示，铜网复合材料双极板拥有了更优异的稳定性能。在石墨双极板的研究中，emanuelson[6]等用纯化石墨粉与碳化热固性酚醛树脂混合，注塑制成双极板。然而，双极板的承载强度达到了标的，但其电阻率远远高于纯石墨双极板。这种双极板具有石墨双极板的许多优点，但其制备成本高，且难以批量生产。在金属双极板的制备中，baik[7]等开发了一种新型多孔金属双极板，可以改善燃料电池在高电流密度下的特性。此外，与多孔双极板相比，在0.4V电压下，多孔金属双极板的电流密度从1.60a/cm2增加到2.22a/cm2，并能降低电池的传质电阻，电压降低却于无孔金属双极板的压降。6、双极板流道双极板在燃料电池中具有导电、为反应气体和产物提供通道、分离冷却液流动通道等重要功能。双极板常见的流道结构主要由进出口区、过渡区和反应区组成。目前常见的流场有直通道形、蛇形、螺旋形、交指型和网格形等等。直流通道结构简单，易于处理。结果表明:直流道内存在许多平行流道，流动距离短，进出口压力损失小;该平行通道并联有利于反应气体和冷却水在通道内的均匀分布，能够实现电流密度和电池温度的均匀分布。其缺点是反应气体在通道里停留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，容易造成堵水。交指流场的特点是流量通道不连续。在气体流动过程中，由于通道堵塞，气体被迫扩散到周围的流动通道。这一过程使更多的气体进入催化层进行反应，有利于提高气体利用效率和功率密度等。交指流场使边缘和扩散层的水在强制对流下很容易排出。然而，与此同时，气体通过扩散层的强制扩散将产生巨大的压力下降。如果空气流量过大，强制对流会破坏气体扩散层，降低电池性能。蛇形流场可分类为单个通道和多个通道，单个蛇形流场，所有气体在一个通道中流动，气体流量大，流场长，导致压力损失过大。虽然它有利于反应水的去除，但不利于电流密度的均匀性和催化剂的使用。一个流动通道一旦堵塞，将直接导致电池不可用。考虑到单通道蛇形流场的缺陷，多通道蛇形流场具有直通道和单通道蛇形流场的优点。即使有单流动通道被堵塞，其他的流动通道也会起作用。同时，在同一工作区域采用多通道有利于减少流动通道的弯曲，有效降低压力损失，保证电池的均匀性。7、结语本文主要介绍了双极板的功能特点、符合目前国际标准的性能指标要求以及双极板国内外的研究现状等，并简要写了常见的双极板流道的设计结构。基于双极板的种类，石墨双极板易断裂，金属双极板抗腐蚀能力差，近年来复合双极板的应用较多；蛇形流道种类较多，能够结合其他流道的优点能保证电池性能。双极板在PEMFC燃料电池中占有重要的地位，通过对双极板各方面的了解，能更充分地进行双极板的实验研究，相信未来双极板的发展会有更大的进步。参考文献：[1]GUOXQ,ZENGYC,WANGZQ,etal.Investigationofporouswatertransportplatesusedforthehumidificationofamembraneelectrodeassembly[J].JournalofPowerSources,2016,302:84-91.[2]杜超，明平文，侯明，等.乙烯基酯树脂/膨胀石墨燃料电池复合双极板[J].电源技术，2010，34(7):667-671.[3]曹彩虹，梁成浩，黄乃宝。镀铌不锈钢金属板的电化学性能[J].中国腐蚀与防护学报1013（2）；123-128.[4]武涛，郑永坪，黄正宏等，柔性石墨双极板透气性的研究[J].材料科学与工程学报，2005，23（2）：190-199.[5]HsiaoMC,LiaoSH,YenMY,etal.Electricalandthermalconductivitiesofnovelmetalhybridpoly-mercompositebipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].JournalofPowerSources.2010,195(2):509-515.[6]EmanuelsonＲC，LuomaWL，TaylorWA