雄韜股份中央研究院：燃料電池金屬雙極板材料與涂層研究(干貨滿滿）

在今天會議上，雄韜股份中央研究院楊驕博士發表了“燃料電池金屬雙極板材料與涂層研究”的主題演講。主要包括：燃料電池雙極板功能特點、燃料電池雙極板分類、金屬雙極板鍍層研究進展、金屬雙極板鍍層未來研究路線；詳細見PPT。在看本文前，歡迎識別二維碼申請加入氫燃料電池微信群：

1.燃料電池雙極板功能特點

隨著市場對大功率金屬堆需求的增加，金屬板的市場應用在快速擴大。從技術角度來看，金屬板在抗彎、抗壓強度、導電性、批量生產等方面有著顯著的優點，但也有一些缺點需要去克服，最典型的是腐蝕性能比較差，仍然需要尋找更合適的鍍層方案提高耐腐蝕性。

燃料電池雙極板功能特點

雙極板的功能是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。雙極板是燃料電池重要部件之一，其重量約占PEMFC電堆的80%，成本約占24%。

燃料電池雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到單電池鏈接、輸送燃料、電流收集和傳導、支撐電堆和MEA、排除反應產生的熱量、排出反應產生的水等重要作用。

在保持一定機械強度和良好阻力作用的前提下，雙極板厚度應盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導阻力。

2.燃料電池雙極板分類

燃料電池雙極板分類

目前市場上氫燃料電池的雙極板材料有石墨、金屬和復合材料三類。相較于石墨板和復合板一般用于中、低功率電堆，金屬板則因其在超薄狀態下的成形性能優于其他材料，在高功率電堆中越來越得到重用。

具體來看，金屬板的制備包括極板構型設計、精密模具設計與加工、超薄板精密成型、長壽命復合納米涂層、一體化密封技術等，其中金屬板的基材及鍍層的選擇值得關注。

主要有石墨板，復合板，金屬板，同時對比了各種材料的優劣勢。

3.金屬雙極板鍍層研究進展

(1)制作步驟

(2)不同金屬板鍍層的性能對比

金屬雙極板鍍層研究進展金屬雙極板表面鍍層材料主要有：導電聚合物復合材料、貴金屬表面修飾材料、氮摻雜或碳基合金材料。一般金屬雙極板基材包括：不銹鋼、鈦、鎳、鋁。從化學穩定性、成本、可加工性、機械強度、耐蝕性、熱導率、電導率等維度對比這些基材，可以看到不銹鋼基材有優異的導電導熱性能，以及很高的力學性能。同時制造及加工成本也比較低，這也是大部分廠商選擇不銹鋼基材的一個原因。

但不銹鋼基材也有一些缺陷需要克服，比如在酸性條件下耐蝕性較差，離子析出損傷PEM性能，表面氧化膜會導致接觸電阻（ICR）較大。

(3)金屬板鍍層的腐蝕機理：應力腐蝕與電化學腐蝕

耐腐蝕性是金屬板非常重要的一個性能。腐蝕是怎么產生的？主要來源于應力腐蝕，以及化學腐蝕與電化學腐蝕。應力腐蝕是指在沖壓生產過程中，導致的應力集中，從而產生位錯、空位、晶界等；化學腐蝕與電化學腐蝕主要有縫隙腐蝕與點腐蝕，主要發生場所是表面的顆粒、附著物、夾雜物及金屬間化合物。所以需要鍍層去改善整個基材的性能。

(4)鍍層工藝，PVD，PECVD，CVD，化學鍍，熱浸鍍，電鍍等

鍍層有金屬鍍層、碳膜鍍層、氮化物膜、碳化物膜。其中碳膜鍍層：交替基底偏壓沉積法：以15個交替周期沉積的涂層在 0.6 V 電勢下，涂層厚度為242 nm，腐蝕電流密度為 0.297 μA/cm2，ICR 值為 3.58 mΩ·cm2；多層碳基涂層改性雙極板，可有效減少涂層缺陷而提高極板的耐腐蝕性能

（5）金屬板鍍層的影響因素，如溫度，pH值，F-離子濃度，CL-離子濃度，氫氣濃度和壓力，電勢，啟/停工況，順勢電勢等。

鍍層影響因素可以主要分為工作環境、工作條件兩大類。在電堆運行的過程中，溫度、PH值、氫氣濃度及壓力等改變都會影響它的性能；包括電勢、啟/停工況、瞬態電勢等也會對它有一定的影響。所以需要去優化鍍層結構，以提高整個電堆的性能。

4.金屬雙極板鍍層未來研究路線

1）、高導電、高耐腐蝕涂層——基本要求；2）、合適硬度—提高穩定性；3）、超薄—降低體電阻；4）、低成本、批量化制備—推進金屬板商用進程。

演講的最后，楊驕博士指出：制備高導電、高耐腐蝕涂層，這是金屬板鍍層最基本的要求。另外尋找合適的硬度，可以提高整個電堆的穩定性；鍍層做得越薄，可以降低電阻；低成本、批量化制備則可以推進金屬板的商用進程。

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