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质子交换膜燃料电池双极板材料国内外差距分析

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-17   关键字:质子交换膜  燃料电池  双极板  

双极板是将PEMFC单电池串联起来组装成电池堆的关键部件,其作用是分隔反应气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极,同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能,因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短。通常制备PEMFC双极板的材料是石墨材料。尽管石墨的价格不高,但是由于双极板表面要求有复杂的气体流道,所以机加工石墨双极板的流道的费用就占了整个电池组的6O%左右。就双极板本身的使用条件而言,要求它不仅具有高的导电率、耐腐蚀性、低密度、高的机械强度和耐气体渗透性,而且必须具备材料成本低、易加工、良好的尺寸稳定性等特点,同时双极板还应是热的良导体,以保证电池堆内部温度分布均匀和废热的顺利排出。正是由于双极板的发展对于推动质子交换膜燃料电池产业化的进程具有重要的意义,所以有关双极板的研究引起了国内外学者的高度重视。

双极板材料

目前,主要的双极板材料有碳/石墨双极板、金属双极板、金属化合物双极板和复合双极板。

1)碳/石墨双极板

碳或石墨是目前最常用的PEMFC用双极板材料 其优点在于该类材料耐腐蚀性强、导热和导电性能好,缺点则是其强度较低,脆性较大,不易成型超薄的双极板(如<0.5mm)。根据加工工艺不同,可分为机加工成型碳/石墨双极板和注塑成型碳/石墨双极板。

2)金属双极板

金属双极板虽然具有高的电导率,好的力学强度,价格不高,生产工艺多样,如可通过冲压或蚀刻来加工气体流场和冷却水流场,并可加工成薄板,减少电池体积,但是在燃料电池的高温及pH约2~3的酸性环境下,溶解和腐蚀不可避免,特别是金属离子渗入质子交换膜内导致离子导电率下降以及腐蚀层会增加接触电阻,降低燃料电池性能。所以,必须对金属双极板的表面进行修饰,提高其表面质量。目前大多研究者所选用的金属基材为铝板、不锈钢板、钛板、镍板等。

3)金属化合物双极板

利用金属化合物作双极板材料主要是利用其导电、耐腐蚀、抗氧化的特性。具有上述优点的金属化合物有TiN、TiC、TiCN和CrN等。

4)复合双极板

由于热塑性高分子材料具有可塑性,在粘流转变温度下具有流动性和粘接性,并可挤出、注射和模压成型,根据所用模具的不同可制备出不同形状的制品,所以根据适合工艺要求的双极板及流场,并由此制成模具,选取耐腐蚀性高分子材料与导电填料复合,一次性复合模压成型直接得到带流场的双极板,这种方法是目前制备低成本双极板最主要的研究方向之一。

对于高分子材料的选用经历了热塑性-热固性-热塑性的转变,目前考虑到材料的回收问题,以热塑性材料为主。

国内外研究发展现状及差距和原因            

如何降低PEMFC的生产成本,减少电池组的重量,是实现燃料电池产业化的基本条件。在PEMFC中,双极板是最重和最厚的部件,由此决定了PEMFC的体积和重量,而且由于传统石墨双极板的流场加工成本很高,也大大增加了整个燃料电池组的成本。目前,寻找代用品对减少电池尺寸和重量有重要意义。双极板要求材料和加工工艺成本低、质轻、板薄、良好的力学性能、高的表面和体积电导率、低的透气性和耐腐蚀性。选择合适的双极板材料和制备工艺技术可极大地改善电池的性能。传统使用的石墨板虽然具有良好的导电导热性和耐腐蚀性,但由于石墨是一种多孔脆性材料,导致后加工成本过高,而且不易制备厚度小于3mm的薄板。目前双极板材料的制备技术发展方向有3个:即开发金属薄板、炭化石墨板和复合材料板。德国Siemens公司和中国的大连化物所均采用薄金属双极板,可以降低欧姆过电位;美国Los Alamos国家实验室正在开发使用石墨粉和聚合物热塑性树脂注塑成型的复合石墨双极板。天津大学正在探索用柔性石墨制作双极板,柔性石墨可大大降低接触电阻。

目前,在双极板研究方面,国内外还存在着较大的差距,这主要是因为国内有关燃料电池的研究起步比较晚,而且在技术上处于跟踪国外的状态,所以在工艺和原材料的选择方面还很难有所突破。

更多内容可参见:

质子交换膜燃料电池用双极板材料及制备工艺的研究进展,材料导报,2005,19(3),83-86
 
质子交换膜燃料电池双极板的研究进展,新材料产业,2004(8),18-21
 

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