利用BMC方法制作燃料電池用導(dǎo)電性雙極板

1、利用BMC方法制作燃料電池用導(dǎo)電性雙極板為解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾、開拓清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。氫是一種可儲藏運(yùn)輸、燃點(diǎn)較高、熱值相當(dāng)汽油的3倍，各國在制定未來能源政策時，都把發(fā)展氫能作為主攻方向之一，而燃料電池正是氫能時代的最佳能量轉(zhuǎn)換裝置。不過燃料電池自19世紀(jì)80年代發(fā)表第一個專利以來，一直到現(xiàn)在仍未商品化，其原因歸根到底還是材料問題沒有得到解決。目前，燃料電池已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化前夜，而國外質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)雙極板已經(jīng)初步具備產(chǎn)業(yè)化能力。從結(jié)構(gòu)上看，燃料電池一般有30500個單電池構(gòu)成電池堆(圖一)，單電池依次由陽極

2、、電解質(zhì)基質(zhì)和陰極構(gòu)成(圖二)，雙極板的作用是連接上一個單電池的陽極與下一個單電池的陰極，保證反應(yīng)氣體在電極的整個表面上均勻分布，從前一個陰板收集電流傳給下一個陽極，即雙極板不但形成提供反應(yīng)物和產(chǎn)物的流場，同時要傳導(dǎo)電流，雙極板的體電阻及接觸電阻將影響電池內(nèi)部的歐姆壓降。 圖一 PEMFC的電池堆簡圖圖二 單電池結(jié)構(gòu)及工作原理雙極板的功能及材料相關(guān)的要求：分隔氧化劑和還原劑，必須有阻氣功能，不能用多孔透氣材料；有收集電流的作用，必須是電的良導(dǎo)體、還應(yīng)是熱的良導(dǎo)體；雙板板同時處于氧化介質(zhì)和還原介質(zhì)環(huán)境，必須在一定溫度和電位下具有抗腐蝕能力；雙極板兩側(cè)置有反應(yīng)氣體均勻分布的流場，布置緊湊必須越薄越

3、輕越好。在當(dāng)前的狀況下，PEMFC雙極板主要采用不透性石墨材料和金屬材料。在燃料電池環(huán)境下，石墨的耐腐蝕性能最好，電導(dǎo)率也高但成本昂貴，約占電池成本的50%60%。金屬雙極板具有高的電導(dǎo)率和好的力學(xué)強(qiáng)度，但耐腐蝕方面成了難題。這就導(dǎo)致國內(nèi)外眾多家學(xué)院和研究所關(guān)注樹脂基炭復(fù)合材料（可能各家的叫法不完全一致）。(圖三)圖三 樹脂基炭復(fù)合材料制雙極板目前樹脂基炭復(fù)合材料雙極板的技術(shù)指標(biāo)序號電導(dǎo)率 S/CM彎曲強(qiáng)度MPa腐蝕率CM-2氫氣滲透率CM3CM-2S-1制品成本USD/KW10050162*10-6103003010-717032N/A電阻 20mCM2301ACM-2 5*10-6100元

4、/KW表中（）為美國能源部（DOE）對碳質(zhì)填料/聚合物復(fù)合材料雙極板的性能要求。（）為清華大學(xué)鄒彥文教授所領(lǐng)導(dǎo)的工作小組用石墨/酚醛改性乙烯基樹脂所得雙極板的數(shù)據(jù)。（）臺灣省清華大學(xué)陳科宏、陳世明、馬振基等于2002年所研究公布的石墨/改質(zhì)酚醛樹脂雙極板的數(shù)據(jù)。（）為我國家863計劃“節(jié)能與新能源汽車”重大項目2006年度課題申請指南。研究方向9：新型燃料電池電堆雙極板應(yīng)用技術(shù)研究中指定了 薄型模壓石墨雙極板的具體指標(biāo)。在制作成本一欄，DOE提出10 USD/KW的指標(biāo)，有人依此推算這種復(fù)合材料的單塊雙極板的成本。如果以500CM2（相當(dāng)于223*223MM*3MM.300G左右）雙極板的成本

5、應(yīng)控制在1.02.0 USD。見：FUEL CELL CATALYST.PAGE 3.VOL.2，NO.1 FALL 2001利用BMC方法制作燃料電池用高阻氫高耐熱復(fù)合導(dǎo)電性雙極板材料的技術(shù)是由臺灣省清華大學(xué)化工系馬振基教授提出，并已取得相應(yīng)發(fā)明專利(93141542)。薄型化板厚達(dá)1.5mm，電導(dǎo)率大于200s/cm，彎曲強(qiáng)度38.44MPa，熱變形溫度286C，氣體滲透率810-8 CM3CM-2S-1且符合UL-94V0及L.O.I.50。是有效降低成本簡化制作流程的途徑。美國BMCI（BULK MOLDING COMPOUND，INC.）從2000年就著手研究BMC型式的雙極板材料，已經(jīng)越上了好幾個臺階，目前已有商品級的最新牌號為BMC845（含30%G.F.）的雙極板模壓料可供應(yīng)。 早年公布的是BMC940已達(dá)100 S/CM的要求。該公司公布的現(xiàn)在供應(yīng)的材料價格為：2.00 USD/Ib（4.44 USD/KG）。 該公司還曾樂觀地予測，如果屆時全球的燃料電池進(jìn)入商業(yè)化成功，則全球的BMC產(chǎn)銷量也將比現(xiàn)在翻一倍？！雙極板用BMC模塑料的予計開發(fā)