燃料電池雙極板綜述

燃料電池雙極板綜述摘要：本文主要以燃料電池雙極板為論述對象，探討當(dāng)前雙極板的發(fā)展現(xiàn)狀。主要介紹了雙極板的功能特點(diǎn)、分類、技術(shù)性能指標(biāo)、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等，并簡略介紹了目前雙極板流道流場的設(shè)計(jì)問題。目的是理清雙極板的發(fā)展?fàn)顩r，認(rèn)清雙極板在燃料電池研究中的重要性。關(guān)鍵詞：燃料電池、雙極板、發(fā)展Reviewofbipolarplatesforfuelcells[Abstract]inthispaper,thebipolarplateoffuelcellisdiscussed,andthecurrentdevelopmentstatusofbipolarplateisdiscussed.Thispapermainlyintroducesthefunctionalcharacteristics,classification,technicalperformanceindex,researchstatusathomeandabroadofbipolarplate,andbrieflyintroducesthedesignproblemsofflowfieldofbipolarplate.Thepurposeistoclarifythedevelopmentofbipolarplatesandtheimportanceofbipolarplatesinfuelcellresearch.[Keyword]fuelcell,bipolarplate,development.1、引言能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和提高人民生活水平的重要物質(zhì)來源。傳統(tǒng)的能源面臨著不斷消耗殆盡的局面，而同時環(huán)境問題也隨之日益凸顯。面對能源問題和環(huán)境問題，開發(fā)清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源成為了能源發(fā)展的主題。在各種新能源中氫能因其資源豐富，燃燒效率高而備受矚目。而氫氣燃料動力電池技術(shù)作為氫能的主要應(yīng)用方面之一,具有效率高,無污染等特點(diǎn),可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)低效的汽車和內(nèi)燃機(jī),人們普遍認(rèn)為，它已成為21世紀(jì)最具市場發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將汽車中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，在汽車供電、固定電站等各種技術(shù)領(lǐng)域顯示出巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2、雙極板功能特點(diǎn)雙極板是PEMFC的核心部件，它的重量占燃料電池的60%左右，所需要的成本占燃料電池的30%左右。雙極板的價(jià)格因素是燃料電池應(yīng)用的一大阻礙。其中雙極板的性能和成本是其商業(yè)化的焦點(diǎn)。因此雙極板材料的研究在國內(nèi)外已經(jīng)成為了燃料電池研究的熱點(diǎn)之一。雙極板在燃料電池中有不可替代的作用。主要有如下幾點(diǎn)：對電池的結(jié)構(gòu)有支撐作用，能對外界的壓力緩沖抗震。排出反應(yīng)中的水。對電流有傳導(dǎo)作用。散熱、導(dǎo)熱的作用。連接單體電池，使電池與電池之間具有聯(lián)系。為了具備以上功能，使雙極板能良好的運(yùn)作并使雙極板能夠廣泛地應(yīng)用，它需要具備以下性能或特點(diǎn)：為了抗震并具備緩沖的作用，雙極板的材料需要具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，比如抗彎強(qiáng)度等。為了排出反應(yīng)所產(chǎn)生的水，雙極板需要有一定的輸水性能。為了使雙極板能夠良好地散熱導(dǎo)熱，雙極板需要有一定的導(dǎo)熱、散熱性能。為了使雙極板能很好的傳導(dǎo)電流，雙極板需要導(dǎo)電性能。并且為了加快產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，雙極板的成本需要降低，重量也要減輕。3、雙極板的分類燃料電池雙極板所需要的工作特性決定了所使用的材料，因?yàn)椴煌牧夏軡M足的特性是不同的，且材料的選擇必須兼顧成本、導(dǎo)電性等方面的均衡。所以根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料的不同，可以將雙極板分為三類：石墨雙極板金屬雙極板復(fù)合雙極板優(yōu)點(diǎn)：具有良好的耐腐蝕性、高導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：由于石墨雙極板機(jī)械強(qiáng)度不高，在加工流道時容易產(chǎn)生斷裂，故而需要增加厚度，但又會導(dǎo)致雙極板的重量增加，不利于燃料電池的輕量化。故而雖然制備石墨雙極板的技術(shù)已經(jīng)成熟但因其成本高等因素逐漸被金屬雙極板和復(fù)合雙極板所代替。與石墨比較，金屬雙極板導(dǎo)熱、導(dǎo)電、機(jī)械性能優(yōu)異且成本較低。目前制造金屬雙極板的材料主要有Au、Pt、TI及不銹鋼。不過金屬雙極板有一個很大的缺陷就是抗腐蝕性弱。因?yàn)榻饘偃菀自陔p極板所處的酸性環(huán)境中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而使催化劑中毒，影響燃電的性能。目前所采用的方式是在金屬表面覆蓋涂層來防止對金屬的腐蝕。相比于石墨雙極板有較好的機(jī)械性，相較于金屬雙極板有較好的抗腐蝕性，并且加工制備工藝簡單，成本較低，所以近些年來對復(fù)合材料雙極板的研究越來越多。4、雙極板的性能技術(shù)指標(biāo)雙極板在還原、氧化的弱酸性環(huán)境中運(yùn)行。燃料電池在運(yùn)行時所處的溫度為70℃左右，不銹鋼雙極板在這種溫度下會產(chǎn)生一層鈍化膜，在雙極板所處的弱酸環(huán)境中有保護(hù)其不被腐蝕的功能。根據(jù)PEMFC的運(yùn)行環(huán)境，美國能源部(DOE)2020年提出的雙極板性能指標(biāo)如下表所示。性能2020年性能指標(biāo)要求單位抗彎強(qiáng)度＞25MPa拉伸率40％重量0.4Kg/kw成本3＄/Kw陰極腐蝕＜1μA/cm-2陽極腐蝕＜1或無活化峰μA/cm-2面電阻＜0.01Ω/cm2電導(dǎo)率＞100S/cm氫滲透率小于1.3×10-14Stdcm3/(scm2Pa)80℃，3atm%RTH雙極板水路氣路5、雙極板國內(nèi)外研究現(xiàn)狀雙極板的研究仍需要一個突破，目前國內(nèi)外的研究已經(jīng)有了不小的進(jìn)展。在國內(nèi)的復(fù)合材料雙極板研究領(lǐng)域,郭曉倩[1]等人通過模壓成型技術(shù),以親水式乙炔黑為主要填料,成功地研制出了一種性能卓越的水傳送板,實(shí)現(xiàn)了對電池良好的水管理。中科院大連化物所杜超[2]等利用膨脹石墨板材真空浸漬樹脂技術(shù)，成功開發(fā)出了一種性能良好的復(fù)合材料的雙極板。在金屬材料雙極板的研究方面，曹彩虹[3]等人研究了金屬雙極板的表面改性，用電鍍法增強(qiáng)了雙極板的耐腐蝕性。付宇等人用物理氣象沉淀法進(jìn)行金屬表面的改性。實(shí)驗(yàn)過后的金屬耐腐蝕性提高。而在石墨材料雙極板的研究中，清華大學(xué)的武濤[4]等對膨脹石墨的透氣性進(jìn)行了研究，利用測試設(shè)備研究了膨脹石墨板密度、厚度等對相對透氣系數(shù)有何影響，發(fā)現(xiàn)柔性石墨有很小的相對透氣系數(shù)，并且阻氣性能穩(wěn)定。許逸豪等采用膨脹石墨為基材，在其中夾金屬絲等，再使用模壓成型法制成膨脹石墨板，研究了制備過程對其機(jī)械性質(zhì)和相關(guān)性的影響。在國外，在復(fù)合材料雙極板的研究中，Hsiao[5]等通過在聚合物復(fù)合材料雙極板制備過程中嵌入金屬網(wǎng)然后模壓成形，得到了金屬基復(fù)合材料雙極板。先將導(dǎo)電填料與聚合物相混合在一起，第二步就是在均勻的混合物放入模具的過程中嵌入銅網(wǎng)，之后再經(jīng)熱壓工藝制備出銅網(wǎng)復(fù)合材料雙極板。復(fù)合材料雙極板嵌入銅網(wǎng)后熱導(dǎo)率由原來的27.2w／mk增加到30w／mk。經(jīng)過電池測試顯示，銅網(wǎng)復(fù)合材料雙極板擁有了更優(yōu)異的穩(wěn)定性能。在石墨雙極板的研究中，emanuelson[6]等用純化石墨粉與碳化熱固性酚醛樹脂混合，注塑制成雙極板。然而，雙極板的承載強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)的，但其電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純石墨雙極板。這種雙極板具有石墨雙極板的許多優(yōu)點(diǎn)，但其制備成本高，且難以批量生產(chǎn)。在金屬雙極板的制備中，baik[7]等開發(fā)了一種新型多孔金屬雙極板，可以改善燃料電池在高電流密度下的特性。此外，與多孔雙極板相比，在0.4V電壓下，多孔金屬雙極板的電流密度從1.60a/cm2增加到2.22a/cm2，并能降低電池的傳質(zhì)電阻，電壓降低卻于無孔金屬雙極板的壓降。6、雙極板流道雙極板在燃料電池中具有導(dǎo)電、為反應(yīng)氣體和產(chǎn)物提供通道、分離冷卻液流動通道等重要功能。雙極板常見的流道結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)出口區(qū)、過渡區(qū)和反應(yīng)區(qū)組成。目前常見的流場有直通道形、蛇形、螺旋形、交指型和網(wǎng)格形等等。直流通道結(jié)構(gòu)簡單，易于處理。結(jié)果表明:直流道內(nèi)存在許多平行流道，流動距離短，進(jìn)出口壓力損失小;該平行通道并聯(lián)有利于反應(yīng)氣體和冷卻水在通道內(nèi)的均勻分布，能夠?qū)崿F(xiàn)電流密度和電池溫度的均勻分布。其缺點(diǎn)是反應(yīng)氣體在通道里停留時間短，氣體利用率低，流速相對較低，產(chǎn)生的水不能及時排出，容易造成堵水。交指流場的特點(diǎn)是流量通道不連續(xù)。在氣體流動過程中，由于通道堵塞，氣體被迫擴(kuò)散到周圍的流動通道。這一過程使更多的氣體進(jìn)入催化層進(jìn)行反應(yīng)，有利于提高氣體利用效率和功率密度等。交指流場使邊緣和擴(kuò)散層的水在強(qiáng)制對流下很容易排出。然而，與此同時，氣體通過擴(kuò)散層的強(qiáng)制擴(kuò)散將產(chǎn)生巨大的壓力下降。如果空氣流量過大，強(qiáng)制對流會破壞氣體擴(kuò)散層，降低電池性能。蛇形流場可分類為單個通道和多個通道，單個蛇形流場，所有氣體在一個通道中流動，氣體流量大，流場長，導(dǎo)致壓力損失過大。雖然它有利于反應(yīng)水的去除，但不利于電流密度的均勻性和催化劑的使用。一個流動通道一旦堵塞，將直接導(dǎo)致電池不可用?？紤]到單通道蛇形流場的缺陷，多通道蛇形流場具有直通道和單通道蛇形流場的優(yōu)點(diǎn)。即使有單流動通道被堵塞，其他的流動通道也會起作用。同時，在同一工作區(qū)域采用多通道有利于減少流動通道的彎曲，有效降低壓力損失，保證電池的均勻性。7、結(jié)語本文主要介紹了雙極板的功能特點(diǎn)、符合目前國際標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)要求以及雙極板國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等，并簡要寫了常見的雙極板流道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?；陔p極板的種類，石墨雙極板易斷裂，金屬雙極板抗腐蝕能力差，近年來復(fù)合雙極板的應(yīng)用較多；蛇形流道種類較多，能夠結(jié)合其他流道的優(yōu)點(diǎn)能保證電池性能。雙極板在PEMFC燃料電池中占有重要的地位，通過對雙極板各方面的了解，能更充分地進(jìn)行雙極板的實(shí)驗(yàn)研究，相信未來雙極板的發(fā)展會有更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)：[1]GUOXQ,ZENGYC,WANGZQ,etal.Investigationofporouswatertransportplatesusedforthehumidificationofamembraneelectrodeassembly[J].JournalofPowerSources,2016,302:84-91.[2]杜超，明平文，侯明，等.乙烯基酯樹脂/膨脹石墨燃料電池復(fù)合雙極板[J].電源技術(shù)，2010，34(7):667-671.[3]曹彩虹，梁成浩，黃乃寶。鍍鈮不銹鋼金屬板的電化學(xué)性能[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)1013（2）；123-128.[4]武濤，鄭永坪，黃正宏等，柔性石墨雙極板透氣性的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，23（2）：190-199.[5]HsiaoMC,LiaoSH,YenMY,etal.Electricalandthermalconductivitiesofnovelmetalhybridpoly-mercompositebipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].JournalofPowerSources.2010,195(2):509-515.[6]EmanuelsonＲC，LuomaWL，TaylorWA