氫燃料電池金屬雙極板生產流程及廠商匯總

雖然近期不少粉絲受到疫情的影響，但是多關注新的行業總有新的希望，冬天可能會持續很長，但是春天一定會到來。今天給大家分享的就是氫燃料電池的金屬雙極板。歡迎在閱讀之前加入艾邦組建的氫燃料電池產業微信群。更多氫燃料電池產業鏈介紹，技術交流，線下活動。官網：www.jnsjbj.cn

（一）什么是金屬雙極板

燃料電池主要由質子交換膜、催化劑層、空氣擴散層和雙極板組成。雙極板作為燃料電池的核心部件，在燃料電池中，起到了膜電極結構支撐、分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量、提供氫氣和氧氣通道、排出反應生成的水、提供冷卻液流道等諸多重要作用。

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。

豐田Mirai雙極板

金屬板電堆在功率、功率密度、重量、體積、抗振、批量制備和冷啟動等方面優勢明顯。并且，實測證明金屬板電堆的壽命不一定比石墨板電堆壽命短。金屬雙極板基體材料主要包括不銹鋼、鋁、鈦合金。

（二）金屬雙極板生產流程介紹

金屬雙極板基本工藝可以從下圖看出來，不同公司工藝，以及加工流程可能有區別

金屬雙極板生產流程(Borit公司)

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。

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。

沖壓設備

沖壓模具

金屬雙極板模具(三佳機械（上海）有限公司)

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(WeightReduction)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

目前有金屬板涂層有兩大方向，一是金屬板上石墨涂層，石墨涂層控本價格比較低，也是涂層未來長久的方向，目前國內絕大部分民用氫堆用的比較多；

另一是金屬板上貴金屬涂層（金，鉑金），涂層價格比較高，相對耐腐蝕也會更高些, 國家空間站航天等軍用比較多。

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。

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。國內目前金屬相關廠商有如下：

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