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氫燃料電池電堆將多個串聯(lián)的氫燃料電池單體、集流板和絕緣板等零部件封裝在一起，其中每個電池單體都由雙極板、膜電極以及密封件組成，每兩個膜電極單元間就有一個雙極板。
雙極板又稱集流板，被稱為氫燃料電池的“骨架”。一般情況下，雙極板占電堆總質(zhì)量的60%-80%，占總成本的20%-30%。在燃料電池中，雙極板具備6大基本功能，即分離各個電池、輸送反應氣體、提供電氣連接、去除水副產(chǎn)物、消散反應熱、承受夾緊力。
雙極板作為PEM制氫和氫燃料電池的關(guān)鍵部件之一，基體材料需具備高強度、耐腐蝕性、氣密性好、高導電性等特點，材料的選擇將直接決定電堆輸出功率的大小和使用壽命的長短。
按照材料的不同，目前市場上氫燃料電池的雙極板大致可分為三類：石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板。
一、石墨雙極板
石墨雙極板是國內(nèi)PEMFC最常用的雙極板材料，其原材料主要有石墨粉和膨脹石墨：
石墨粉是一種礦物粉末，主要成分是碳單質(zhì)，具備良好的耐高溫性、可塑性和導電、導熱性等。
膨脹石墨是一種新型功能性碳素材料，由天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥、高溫膨脹所得，具備天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性和耐輻射性等特性。
石墨雙極板的生產(chǎn)加工主要分為兩類:
一是膨脹石墨復合材料的板材，經(jīng)過光、成型、去除后滲透樹脂、硫化、粘合、密封硫化工藝，形成雙極板產(chǎn)品。
此工藝使用膨脹石墨材料，產(chǎn)品具有較高的導電性和熱傳導性。該工藝也能有效滿足雙極板外形、表面幾何輪廓和機械尺寸的要求。
圖源：DT新材料
二是石墨粉末與樹脂混合材料的成型/注射成型工藝。此工藝利用石墨粉末與樹脂混合材料的特性，滿足產(chǎn)品表面疏水性要求。
石墨雙極板的優(yōu)點在于高耐久性和耐腐蝕性，而且成本相對較低，適用于客車、物流車、環(huán)衛(wèi)車、叉車等商用車領(lǐng)域。然而，石墨雙極板也存在一些缺點，如抗壓、抗彎強度低，導致易碎、組裝困難以及體積較大等不足。
二、金屬雙極板
金屬雙極板在成本和機械性能方面具有優(yōu)勢，逐漸占據(jù)市場主流。到目前為止，不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金、銅合金和金屬基復合材料均被應用于雙極板制造，其中不銹鋼既包含了不銹鋼可塑性高的特點，也具備金屬良好的導電性，被認為是金屬雙極板的最佳材料之一。
通常來說，金屬雙極板采用沖壓與液壓成型工藝，用壓力裝置和剛性模具對板材施加一定的外力，使其產(chǎn)生塑性變形，即將0.1mm的超薄金屬板，沖壓成陰陽單極板，后由兩塊單極板通過連接工藝對應連接而成。
圖源：氫電邦
金屬板相對更薄，體積功率密度更高，更適用于高功率型電堆，廣泛應用于乘用車。但金屬板的耐久性較差，受金屬材料影響，其制備成本較高，并且在高溫環(huán)境下可能會發(fā)生氧化反應，在酸性的反應環(huán)境中易被腐蝕。
值得一提的是，金屬雙極板若實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，會極大程度降低生產(chǎn)成本，目前正成為業(yè)界研究的熱點。
三、復合材料雙極板
復合雙極板由兩種以上材料組成，合成其他材料，目前主要有碳/碳復合雙極板和石墨/聚合物復合雙極板。復合雙極板將石墨材料的耐蝕性與金屬材料的易加工、高硬度特性相結(jié)合，旨在克服石墨材料與金屬材料的缺陷。
現(xiàn)階段，以鋁合金、碳鋼等金屬合金與316L、310L不銹鋼為基底的陽極板的表面改性成為研究熱點，主要包括碳基涂層表面改性、金屬氮化物涂層表面改性與聚合物涂層表面改性。
然而，復合材料雙極板的加工周期長、生產(chǎn)過程繁瑣復雜，長期工作可靠性較差限制了其廣泛應用。并且，表面涂層技術(shù)對設備要求嚴格，特別是表面電鍍貴金屬的成本過高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，但復合雙極板在特殊應用場景中具有一定優(yōu)勢。
總結(jié)
圖源：百度
雙極板是燃料電池的重要構(gòu)成部件，尋找性能優(yōu)良且成本低廉的雙極板新材料和制備方法，是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的重要課題。在各種雙極板材料中，金屬雙極板在導電性、抗疲勞性等方面具有優(yōu)勢，較石墨雙極板更利于實現(xiàn)小型化，對提高燃料電池電堆的功率密度具有重要意義。
未來，開發(fā)出優(yōu)良的耐蝕性、導電性涂層或新型的雙極板金屬材料將極大地促進PEMFC在乘用車領(lǐng)域的應用。不僅如此，技術(shù)的進步推動成本的降低同樣關(guān)鍵，加快雙極板產(chǎn)品從實驗室成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，是降本增效的最直接途徑。
