质子交换膜燃料电池用双极板材料的现状与发展

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1、质子交换膜燃料电池用双极板材料的现状与发展刘洪波，李建新，陈惠湖南大学材料科学与工程学院摘要。双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件之一，具有分隔反应气体、收集电流和提供反应气体通道等功能。如何降低双极板的成本已经成为PEMFC产业化最关键的问题。本文综述了PEMFC用双极板材料的研究进展，着重介绍了目前已经进入小规模商业化的复合材料双极板的原材料和先进制备工艺，并且指出了该类材料未来的发展方向。关键词t质子交换膜燃料电池；双极板；制备工艺Materialsandmanufactureprocesso

2、fbipolarplatesforPEMFCLIJian-xin,CHENHui,LIUHong—bo，YANGLi(Collegeofmaterialsscienceandengineering，HunanUniversity,Changsha410082，China)Abstract：ThebipolarplateisOllCofthemostimportantpartsfortheproton-exchangemembranefuelcellsfPEMFC)．Ithasthefunctionsofisola

3、tingreactants，collectingcurrentandprovidingchannelsforreactiongases．Atpresent,themostcriticalfactorthatdecidestheindustrializationofPEMFCsistheCOStreduction．Inthispaper，thematerialsandmanufactureproemsofbipolarplatesarereviewed,andthedevelopingtrendofsuchmate

4、rialsisexpected．Keywords：PEMFC；bipolarplate；proc器s1．前言质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池由于具有能量转化效率高、污染小、结构简单、发电效率受负载变化影响小等诸多优点，在未来的车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术‘1。3】。目前，阻碍质子交换膜燃料电池商业化发展的主要障碍是其制造成本过高。而双极板是燃料电池堆的关键部

5、件之一，其质量的好坏直接决定电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短，其成本也占据了整个电池成本的30％．60％t31。因此，高性能、低成本双极板材料的开发，对于质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用具有重要的意义。双极板作为燃料电池的主要部件，其功能是：收集电流、分隔氧化剂和还原剂、作为机械支撑和均匀输送反应介质等。因此要求双极板材料：(1)阻气性好，材料应具有不透气性；(2)耐蚀性好，包括5"--'85"C的外部大气环境及65"--'85"C，200kPa电池内部环境下的耐蚀性能；(3)高的电导率和导热系数：(4)

6、力学性能好；(5)质量轻；(6)生产加工成本低，宜于大批量生产降51。目前质子交换膜燃料电池广泛采用的双极板材料是无孔石墨板，正在研究开发表面改性的金属双极板和复合材料双极板。本文对国gs；,b双极板材料及其制备工艺进行了综述，以期对该领域的研究提供参考。2．无孔石墨双极板石墨材料是最早开发和目前最常用的PEMFC用双极板材料，现在的制造技术已经比较成熟。无孔石墨双极板的优点在其耐腐蚀性强、导热和导电性能好，缺点则是其强度较低，脆性较大，为了获得所需的力学性能须将板做的较厚(3～5ram)。无孔石墨板一般由碳粉或

7、石墨粉与可石墨化的树脂制备。石墨化的温度通常高于2500℃。石墨化须按照严格的升温程序于还原气氛或真空条件下进行，而且时间很长，之后在真空条件下注入低粘度的环氧树脂等对石墨板进行浸渍封孔处理以减少气体的渗透率，再采用数控机床在其表面加工出所需要的气体流道。在此工艺中，高温石墨化处理和气体流道的机加工过程是造成双极板价格昂贵的主要原因，而且在高度研磨的天然碳粉里加入增强纤维后，传统的机加工已不能实用。加拿大巴拉德动力公司【11开发的无孔石墨双极板，用碳粉或石墨粉作原料，它的石墨化温度通常高于2500"C，并且时间长

8、达1"-'3个月，导致无孔石墨板生产成本很高；另外在石墨板上必须采用机械的方法加工蛇形通道流场也费工费时。因此，在巴拉德动力公司开发的MK55kWPEMFC中双极板的成本费用占60％～70％。JoolA．[61等提供了一种制各整片的石墨双极板板的方法，制品的密封边缘可以做到无孔或极小的孔，但工作部分孔隙率很大。采用这种方法，制品石墨化时间需要42h，温度高达2700℃，能