近年來，氫燃料電池作為一種新型的環保型可再生能源，發展勢頭十分被人們看好，氫燃料電池具有能量轉化率高、噪音低以及零排放等優點，已經被廣泛應用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。
發展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰略意義。國家不斷推出和發布鼓勵支持氫能發展的利好政策，帶動了國內氫燃料電池及其燃料電池汽車的加速研究和產業化進程。相比電動汽車，氫燃料汽車加注氫氣的時間較短，續航里程更長，環保性更優，被業界普遍認為是汽車未來發展的一種”終極形態”。
氫燃料電池是如何工作的？核心關鍵零部件——高功率密度的超薄金屬雙極板的用途是什么？它的研發制造有何難點？我國科研人員是如何攻克難點？想必大家可能不太了解，這里，小編就為大家科普一下。
學過化學的人都知道，水電解后將得到氫氣和氧氣，而氫燃料電池在原理上就是水電解的“逆”反應過程，即將氫氣和氧氣通過一定方式合成后變成水，同時在這合成過程中我們可以得到“電”，下面我們通過一幅圖來講解一下：
燃料電池的燃料是氫氣和氧氣，首先將氫氣送到燃料電池的陽極板（電源負極），經過催化劑的作用，氫原子中的氫離子和電子被分離出來。氫離子（質子）穿過離子交換膜，到達燃料電池陰極板（電源正極），而電子不能通過離子交換膜只能經外部電路到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生直流電流。而電子到達陰極板后，與來自空氣的氧原子以及到達陰極板的氫離子重新結合為水。
陽極反應方程式為：2H2——4H++4e-；
陰極反應方程式為：O2+ 4e-+4H+——2H2O
每一單體電池理論上限電壓為1.23V，將多個電池串聯層疊組合后就能構成輸出電壓滿足符合需求的燃料電池堆。
由圖可知燃料電池實際是一種將氫氣和氧氣通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。其過程不涉及燃燒，無機械損耗，能量轉化率高達60~80%，為內燃機的2～3倍。產物僅為電、熱和水，絕對環保。
氫燃料電池是由多個單體電池串聯組合而成，將雙極板與膜電極三合一組件交替疊合，各單體之間嵌入密封件，最后經前、后端板用螺栓壓緊緊固，就形成了我們所需要的燃料電池。單體電池的內部結構見下圖。
作為燃料電池的關鍵零部件之一，燃料電池雙極板（又叫流場板）的地位非常重要，它不僅是電堆中的“骨架”，而且雙極板擔負的功能很多：要進行燃料、氧化劑和冷卻液的分隔；通過流道將燃料和氧化劑均勻供應給電極進行電化學反應；將冷卻液分配到各個冷卻腔體，移出反應產生的熱量；收集單節電池上電化學產生的電流等。
對雙極板的要求是非常嚴酷的，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體致密性等；穩定性方面要求雙極板在燃料電池酸性和濕熱環境下具有耐腐蝕性和無污染性；產品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。因此，雙極板需要滿足高電導率和熱導、高機械強度、有效阻隔反應流體、耐腐蝕性好、材料成本低以及可進行大規模自動化生產等嚴酷要求。
燃料電池常采用的雙極板材料有石墨碳板、金屬雙極板、復合雙極板3大類。它們的優劣勢比較如下：
石墨基雙極板--具有非常良好的化學穩定性和很高的導電率，但是有重量重、脆性大、難加工，厚度減薄已趨于極限等缺點，同時價格昂貴，現多應用于商用車。
金屬雙極板--具有電導率高、價格低廉、工藝制法多樣、高機械強度等優點，但其易受腐蝕和污染，表面易形成氧化物薄膜，因此金屬雙極板的技術難點在于成型技術和表面處理技術。
復合材料雙極板--能較好地結合石墨板與金屬板的優點，密度低、抗腐蝕、易成型，但是加工周期長、長期工作可靠性較差，因此目前沒有大范圍推廣。
由于車輛空間限制（尤其是轎車）以及乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板已成為乘用車燃料電池的主流雙極板。目前國內外幾乎各大汽車公司都采用金屬雙極板技術。
燃料電池的“高功率密度、大功率輸出、長壽命運行、低成本制造”是長期制約燃料電池汽車規模化推廣的國際性難題，這四項要求均需要靠金屬雙極板來保證，為此要求金屬雙極板必須做到：厚度盡可能薄、加工精度高、耐腐蝕性強和生產效率高。這也是金屬雙極板制造的四大難題。
1、厚度薄：乘用車用燃料電池要求要有大于3kW/L的高功率密度，通常100kW電堆由400多片雙極板和膜電極疊裝而成。雙極板占電堆體積80%，這就要求金屬雙極板必須做的更加薄（0.07-0.1mm)，這樣才能使得金屬電堆的體積小，功率密度大。
2、加工精度和一致性：乘用車用燃料電池要求要實現高功率輸出，且要具有十年以上的使用壽命，因此必須靠非常高的加工精度和產品完全一致性來保證。金屬雙極板的加工工序非常多，在每一道工序中對雙極板流道形狀設計、選用材料耐蝕性及厚薄均勻性、焊接平整度、翹曲、流道深度均勻性等都有很高的要求，甚至是微米級精度的要求，金屬雙極板如下圖所示。
3、耐腐蝕性強：金屬雙極板長期浸泡在酸性介質中并受到溫度的沖擊，還要具有良好的耐腐蝕性、高電導和低接觸電阻等特性，故必須具有超高強的耐腐蝕性，目前最常用的工藝是在金屬基體表面進行多種材料和多層噴涂處理，但是涂層材料配方和涂覆工藝的研究是業內核心技術需要攻關 。
4、生產效率高：如何把實驗室研究成果實現產業化，同時順利做到“四大難點“的解決，保證金屬雙極板產品的尺寸精確和性能一致性，真正實現產業化難度相當大，這中間需要強大的高端制造裝備和完善可靠的工藝流程的保證。
一直以來，我國在氫燃料電池的研究落后于國外先進國家，特別是在金屬雙極板制造方面進展不大，這制約了我國新能源汽車的快速發展，盡快對氫燃料電池金屬雙極板關鍵技術研究和開發，成為擺在我國科研人員面前迫在眉睫的重要課題。很多科研人員為此長期辛勤勞動，潛心研究，默默奉獻，取得了一批可喜的成果。
據了解，上海交通大學燃料電池科研團隊長期進行《高功率密度燃料電池薄型金屬雙極板及批量化精密制造技術》關鍵技術研究和開發，經過十多年的不懈努力，終于成功攻克了金屬雙極板的“四大難題“，并在與產業界合作的工程實踐中取得了完美的實效。項目創新成果的成功研發不僅解決了氫燃料電池金屬雙極板的關鍵核心技術難題，而且成為了該領域的領跑者，為我國發展氫能和氫燃料電池打下了堅實基礎，項目由此獲得了2019年度的上海市技術發明獎特等獎 。
1、創新的結構設計：在金屬雙極板的構型設計方面，摒棄國外企業采用傳統的“三板三場”結構設計（即用陽極板、隔板、陰極板將氫氣場、氧氣場、冷卻液流場隔開）。交大研發團隊經過不斷創新和改進，成功去掉隔板，改為“二板三場”，即通過沖壓件的間隔支撐和錯層密封形成翻轉的流場，采用兩個沖壓件形成獨立聯通 的氫、氧、水三個流場。金屬雙極板的厚度可以做到1mm以內，大大減輕電堆的體積和重量，并且功率密度超過3KW/L，該設計經過充分的工程驗證。達到國際領先水平。結構創新設計如下圖。
2、涂層材料復合配方：在金屬雙極板的材料選型方面，為了達到高耐蝕、高導電性能的高難度要求，研究團隊擯棄國外傳統的石墨方案和鈦合金替代方案，創新制定了“不銹鋼+復合涂層”方案，，團隊設計了鈦、鉻等多元復合涂層，涂覆層數高達二十多層，且每一層采用不同的涂覆工藝，致使涂層厚度在100納米以下。并自主研發了雙極板涂層的多腔連續磁控濺射等工藝裝備，采用磁控濺射方法在不銹鋼表面沉積鉻涂層，從而使鉻涂層均勻致密,顯著提高了不銹鋼的自腐蝕電位。經測試，其接觸電阻和腐蝕電流顯著優于國外先進涂層，通過車用5000小時壽命考核。
3、多步成形誤差補償：金屬雙極板的精密成型對精度要求非常高,而且沖壓過程是多次成型,這對厚度僅為0.1mm的不銹鋼材料來講，如何控制工件的變形和流道的高度非常重要,研發團隊采用多步成形誤差補償技術，并且成功改造國產設備達到非常穩定的沖壓過程控制，從而比較快速、高精度保證這么大極板的精度。多步成形誤差補償采用第一步粗校準補償，第二、三步精校準補償的方法。通過多次補償后, 金屬雙極板精度得到明顯的提高,誤差控制在微米級范圍。
4、激光焊接變形抑制技術：金屬雙極板由于非常薄, 焊接過程中極易變形，如何控制焊接工藝使變形最小是極大的挑戰。研發團隊設計了合理的焊接變形控制方法，優化工藝參數與冷源參數，通過借助焊接溫度及應力避免焊接變形問題，提升不銹鋼板應力均衡性，自主開發了多工位焊接,保證在焊接過程中可以比較高效抑制焊接的變形。
5、在線監控系統：燃料電池是無數單體電池串聯而成，意味著每一單體電池都不能出現故障，要求100%完好無故障。研發團隊根據金屬雙極板全生產流程,進行過程穩健設計,合理設計工藝過程,提高穩定性。并通過在線的監控系統,包括參數的控制,使整個生產過程處于可控狀態,為提高整個產品穩定性和保證尺寸、裝配都有很好的效果。
6、研究成果產業化。研發團隊成立了自己的市場化運作的工廠，采用校企結合的模式使研究成果真正落地。工廠建立了中國首條金屬雙極板批量化生產線,可以做到每分鐘4片,可以提供單條線年產50萬片極板控制能力,為大批量制造打下了堅實基礎。
目前，交大燃料電池科研團隊開發的高功率密度金屬雙極板已經在國內率先通過5000小時車載工況壽命考核，樹立了國內金屬極板市場上主導地位。成果也已經應用于中國首輛金屬極板燃料電池轎車與客車和首個上汽P390型115kW車用全功率電堆開發上面，為上汽、東風、長城等國內金屬極板燃料電池汽車開發提供了自主可控的核心技術，占據國內氫能源燃料電池市場的半壁江山以上。
寫到這里，想必大家已經了解了高功率密度金屬雙極板的作用和制造加工等關鍵核心技術以及我國科研人員做出的巨大貢獻。我們期待著我國氫燃料汽車早日駛向祖國的四面八方。期待下次科普時與大家再見!
（上海電器科學研究院科普團隊）
原文始發于微信公眾號（電器與能效）：解析高功率密度的超薄金屬雙極板燃料電池的奧秘
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