燃料電池雙極板技術詳解

質子交換膜燃料電池堆是由一片片單電池串聯組裝而成的，其中，單電池由陽極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。通常，單電池的使用電壓為0.6~0.85V，在集成燃料電池堆時可根據需要選擇單電池的串聯數量。

作為質子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板的質量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且幾乎占據了整個燃料電池堆的全部體積。

燃料電池電堆、單電池、雙極板和MEA之間的關系示意圖

在燃料電池堆內，雙極板主要具有以下作用：

• 支撐MEA
• 分隔各單電池
• 分隔陰極、陽極反應氣體，防止其相互混合
• 提供電氣連接
• 輸送反應氣體并使之均勻分配
• 傳導反應熱量
• 去除水副產物
• 承受組裝預緊力

根據材料不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板以及復合材料雙極板。以上三種材料的雙極板各有優、劣勢。前幾年，石墨雙極板是比較常用的雙極板材料，但由于在批量生產時，金屬雙極板的生產成本相對較低，同時，大功率的金屬雙極板電堆比石墨雙極板電堆在體積方面要小得多，因此，近年來金屬雙極板的應用越來越廣。復合材料雙極板由于生產周期長、成本高等缺點在應用方面受到很大限制。

雙極板圖示

不同材料雙極板的優缺點對比

石墨雙極板

石墨是熱和電的良導體，具有較高的電導率、化學穩定性、熱穩定性以及耐腐蝕、低密度等優點，用于制作雙極板具有先天獨特的優勢。

由于石墨是一種多孔的脆性材料，強度低、延展性差（比較脆），難以滿足雙極板的氣密性要求，因此在加工時，需要對石墨進行反復浸漬、碳化處理從而制造成無孔的具有良好氣密性的無孔石墨雙極板。

因此石墨雙極板在加工制造時對制造工藝具有很高的要求，否則就容易使得制造成的雙極板具有較高的孔隙，氣密性較差，裝成燃料電池堆不僅影響電堆的整體性能，還有可能導致氫泄露，造成安全隱患。

石墨雙極板浸漬前后電池電堆性能對比

石墨雙極板的生產制造方式主要有三種，即機加工、注塑和模壓，根據不同的工藝需求石墨可以制作為粉末、卷材、板材和乳液，但其原材料主要分為以下三類：

石墨粉：化學反應很靈敏的物質，在不同的環境里面他的電阻率都會變，取決于石墨粉在絕緣的物體里面是否能夠保證石墨粉不間斷。耐高溫性、化學穩定性、可塑性和抗熱塑性都很好。

膨脹石墨：由天然石墨鱗片經插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。除了具備天然石墨本身優良性能以外，還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、耐輻射性等特性，膨脹石墨遇高溫可瞬間體積膨脹150~300倍。

鱗片石墨：結晶完整，為天然顯晶質石墨，其形似魚磷狀，屬六方晶系，呈層狀結構，片薄且韌性好，物化性能優異，具有良好的熱傳導性、導電性、抗熱震性，耐腐蝕性等。

下面分別詳細介紹每種加工方式的工藝流程。

1.1 石墨雙極板的制造方式--機械加工

石墨雙極板的機械加工工藝流程如下：

石墨雙極板機械加工工藝圖示

機械加工的局限性：

1.前面提到石墨是一種強度低、脆性強的材料，因此機型加工難以適用于超薄雙極板的制作（＜1.5mm）;

2.機械加工過程中可能會導致刀具與石墨的摩擦過大，導致雙極板的尺寸精度和表面質量較差。

目前，國內生產石墨雙極板的廠家大多采用機械加工的方式，這種方式雖然節省了開模費用，但是制作工藝復雜，加工周期長，成本高。

1.2 石墨雙極板的制造方式--注塑成型

注塑成型是將一定比例的石墨和樹脂混合料從注塑機的料斗送入機筒內，被加熱融化后的混合料通過加壓經由噴嘴注入閉合模具內，經冷卻定型后脫模得到成品。

為了提雙極板的導電性，可以在混合物中加入一定量的金屬粉末，除此之外，還可以加入碳纖維或陶瓷來提高機械強度。

注塑成型的局限性：

1. 長時間的粘結劑去除，厚界面開裂，尺寸限制等；

2.進一步石墨化雖然能夠提高雙極板的性能，但同時也使得成本大增，因此，目前注塑成型不適合用于大規模生產。

1.3 石墨雙極板的制造方式--模壓成型

石墨雙極板的模壓成型工藝流程如下：

1. 制備石墨粉與樹脂的混合材料

2. 混合材料和模具進行前處理

3. 采用聚合物的熔融溫度和一定壓力，使得粉末在模具中流動并充滿整個型腔，固化脫模后得到雙極板。

注：粘結劑如為熱固性塑料，通常只需幾分鐘就能固化脫模，粘結劑如為熱塑性塑料，則需將模具冷卻到粘結劑熔點以下的溫度后脫模。

石墨雙極板模壓成型在批量生產方面具有較強的優勢，但是，由于目前燃料電池整體需求量相對不大，同時，雙極板的外觀尺寸多樣，并沒有嚴格的國標要求雙極板的外觀一致性，如采用模壓成型，就使得雙極板廠家針對不同的設計尺寸分別開模，在出貨量不足的前提下，開模能本難以均攤。因此，在目前示范運營階段，再加上自家產品前景不明的情況下，多數雙極板廠家都不樂意為模壓成型過早投入較高的成本

石墨雙極板總結

由于石墨是熱和電的良導體，具有較高的電導率、化學穩定性、熱穩定性以及耐腐蝕、低密度等優點，用于制作雙極板具有先天獨特的優勢。同時在耐久性方面，石墨雙極板有先天優勢。但同時由于批量化生產問題，以及在超薄方面實現起來比較有難度，因此相較于金屬雙極板，石墨雙極板的劣勢也同樣明顯。

金屬雙極板

與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有與之類似的高導電、導熱能力，但金屬雙極板具有更好的機械強度、阻氣能力和抗沖擊能力，因此，金屬雙極板能夠做到超薄，大幅提升比功率密度。

金屬雙極板圖示

同時，金屬雙極板機械加工性強、制作工序較少、可制作超薄雙極板甚至可小于1mm，并且量產工藝成熟，大幅降低的熱容使金屬板具備了更強的低溫啟動能力，并且可以大幅降低量產成本，因此，金屬雙極板備受行業內關注。

目前，主流的沖壓雙極板制造方案Borit公司生產雙極板的流程類似。除了最初的雙極板設計（包括外觀、輪廓、厚度、流道等），金屬雙極板生產流程中主要包括以下六步：

1. 材料準備

制造燃料電池金屬雙極板時，帶材的選擇一般有兩種，一種是預先做過涂層處理的帶材，一種是未經涂層處理的帶材。

經涂層處理的帶材，如SANDVIK提供的預涂層處理鋼帶產品，采用先進的環保真空鍍膜工藝制得，主要特點有：

• 鋼帶和涂層之間具有優異的附著力
• 導電性極佳
• 高耐腐蝕性
• 帶材厚度0.05~0.8mm

下圖為SANDVIK涂層鋼帶的制造過程：①為清潔/檢查；②為上涂層（采用連續蒸發工藝）；③為檢查（采用X射線檢測設備用于測量涂層的厚度和質量）；④為測試、分切和包裝。

SANDVIK涂層鋼帶制作過程

SANDVIK SANERGY?LT預涂鋼帶可用做PEMFC雙極板，并能進行大規模生產且生產成本低。

其主要特點有：具有良好的界面接觸電阻，與金或石墨相當（根據DoE（美國能源部）要求（<10mΩcm -2））；PEMFC環境中的腐蝕<1μA/cm2；采用氣密材料；電氣降解率低（低于0.5％/ 1000小時）；良好成型性/涂層附著力。

SANDVIK SANERGY?LT預涂鋼帶用于PEMFC的雙極板

使用預涂層處理鋼帶，通常不需要在極板成型后進行涂層處理，可以更快更便宜地生產雙極板，但其涂層穩定性經過加工和焊接處理后容易出現問題。

目前市面上除了豐田，金屬雙極板在生產過程中使用未經涂層處理的不銹鋼帶材居多。以Interplex公司的雙極板制造為例，其使用的帶材材料為SU316L不銹鋼，厚度大概在 0.075 – 0.1mm。

2. 成型和分割

帶材清理后，便會進行成型和分割，生產出陰極板和陽極板。各雙極板廠商的成型方式和流程可能會有所不同，如下圖使用的是沖壓成型方式。

2.1 沖壓成型

沖壓成型工藝圖示

沖壓工藝是用壓力裝置和剛性模具對板材施加一定的外力，使其產生塑性變形，從而獲得所需形狀或尺寸的一種方法。

沖壓坯主要為熱軋和冷鐓鋼板，占世界鋼材的 60%~70%。因此，從原材料的角度來看，沖壓工藝占主導地位。而且，沖壓工藝生產的雙極板成本低和生產率高，具有薄（低至 0.051 mm）、均勻和高強度的特性，廣泛用于汽車，航空航天和其他領域。

2.2 液壓成型

有些廠家液壓成型方式，如下圖所示

液壓成型工藝圖示

液壓成型工藝是一種利用液體或模具作為傳力介質加工成產品的一種塑性加工技術，液壓成型原理圖下圖所示。

液壓成型原理圖

與沖壓工藝相比，液壓成型的模具需求量少（只需要一套模具）。液壓成型在尺寸和表面質量方面優于沖壓工藝，而沖壓工藝具有較高的生產率。

2.3 橡膠墊成型

部分廠家也會使用一些其他的成型方式，如橡膠墊成型工藝。橡膠墊成型工藝，也稱為柔性成型工藝，是一種用于微/中型流道成型的新型沖壓方法，該方法可以解決沖壓和液壓成型過程中可能出現的裂紋、皺紋和表面波紋等問題。

橡膠墊成型原理下圖所示，由一個剛性模具和一個橡膠墊組成，它們之間為柔性接觸，極大提高了微尺度流道的可成型性。

橡膠墊成型工藝原理圖

橡膠墊成型工藝的優勢在于，橡膠墊和剛性模具不需要在成型過程中精確組裝，從而可以大大減少時間和成本。這種成型的主要缺點是橡膠墊的使用壽命短，需要經常更換。

2.4 蝕刻

另外，有些廠商在小批量生產時也常常采用機加工方式或蝕刻的方式使雙極板成型，機加工的方式大家應該都能想象得到，這里就不再多加敘述了。這里，刻蝕給大家展開說一下。

蝕刻是將材料使用化學反應或物理撞擊作用而移除的技術。蝕刻技術可以分為濕蝕刻)和干蝕刻兩類。

蝕刻最早可用來制造銅版、鋅版等印刷凹凸版，也廣泛地被使用于減輕重量(Weight Reduction)儀器鑲板，銘牌及傳統加工法難以加工之薄形工件等的加工；經過不斷改良和工藝設備發展，亦可以用于航空、機械、化學工業中電子薄片零件精密蝕刻產品的加工，特別在半導體制程上，蝕刻更是不可或缺的技術。

所以說，蝕刻并不是什么新興的加工技術，只是隨著不斷改良和工藝設備發展，也被應用于高精密設備。其中較為廣泛地被使用于類似于線路板線路蝕刻制作以及銘牌及傳統加工法難以加工之薄形工件等的加工，因此蝕刻工藝對于制造薄型金屬極板來說，是一種合適的工藝路徑。

蝕刻出的雙極板圖示

3 質量檢測

單片的極板制造完成后，需對每片極板進行質量檢測，判斷脊和溝的尺寸、厚度和誤差等各項數據是否滿足設計要求。

4 激光焊接

滿足質量要求的陰、陽極板通過激光焊接焊接固定在一起，構成一個完整的雙極板，經過焊接后，焊縫會將雙極板的冷卻劑腔體完全密封。

雙極板的激光焊接方式如上圖所示。激光束沿著雙極板周邊設計好的密封槽進行焊接，激光行經之處，所產生的的焊縫如下圖所示，將陰陽極板連接起來。

焊接后，會將雙極板的冷卻劑腔完全密封，最后還會對其進行密封性能檢測。

5 涂層處理

雙極板焊接完成后會被進行涂層處理，來提高雙極板的耐腐蝕性能。目前，常用的涂層處理方式為使用PVD方法。

6 密封

最后，在雙極板上設計好的密封槽內填入密封材料。這一步不同廠家的設計都會有所不同，有的廠家使用定制的密封圈圈貼上雙極板，如下圖所示。

密封圈密封圖示

有的廠家通過點膠密封，還有的廠家使用與GDL集成在一起的密封圈，如下圖所示。

因此，雙極板廠商的生產流程中不一定包含這一步。

復合材料雙極板

復合材料雙極板由兩種或兩種以上的材料組成，通過復合其他材料優化了其機械性能，克服了石墨材料及金屬材料的缺陷，且兼具石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高強度特性。

復合雙極板按照結構可分為結構復合雙極板和材料復合雙極板。

3.1 結構復合雙極板

結構復合雙極板是以薄金屬或其它高強度、高致密性的導電板作為分隔板，以有孔薄碳板、金屬網等作為流場板，以導電膠黏合。這種復合結構雙極板結合了金屬板與石墨板的優點，由于金屬板的引入，使石墨只起導電與形成流道的作用，而不需要致密與增強作用，同時由于石墨板的間隔，金屬板不需要直接接觸腐蝕介質，減輕了金屬雙極板的腐蝕，這樣使得雙極板具有耐腐蝕、良導電、體積小、質量輕、強度高的優勢，但缺點是制作過程較為繁瑣，密封性相對較差。

3.2 材料復合雙極板

材料復合雙極板主要是通過熱塑或熱固性樹脂料混合石墨粉/增強纖維形成預制料，并固化/石墨化后成型。復合材料型雙極板又可以分為碳基復合材料雙極板和金屬基復合材料雙極板。下表列出了金屬基和碳基材料復合雙極板的研究情況。

金屬基和碳基復合材料的研究情況

碳基復合材料雙極板可以根據導電填料及樹脂配比調整雙極板的導電性能和機械強度，可以采用模壓或注射成型工藝進行批量化生產，降低雙極板制造成本，未來具有較大應用前景。金屬基復合材料雙極板通常采用金屬作為分隔板，邊框采用塑料、聚礬、碳酸酯減輕電池組的質量，邊框與金屬板之間采用導電膠粘接，以注塑與焙燒法制備的有孔薄碳板或者石墨板作為流場板。

金屬基復合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優點，但是由于其結構及制備工藝復雜，難以實現批量化生產，生產成本遠高于碳基復合材料雙極板，在 PEMFC中推廣有一定困難，但是對于特殊場景用途具有一定優勢。

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