我所理解的氢燃料电池(第九章：电堆-装堆力1)

8-3极板的材质与成型根据极板所需要体现的功能，极板的的基础材质主要分碳基材和金属基材两大类，二者都有各自的优劣势，如表8-1所示，把二者具有代表性材质的数据进行对比，可以简单总结一下，石墨的优势是耐腐蚀，不足是机械性能差，SS316L则恰恰相反。表8-1石墨与SS316L的性能参数对比把二者的优势结合一下，既要有好的耐腐蚀性，又要有好的机械性能，于是就有了第三种材质的极板---复合材质极板。8-3-1石墨极板石墨是最早被用来制造极板的材质，其中包括人造石墨和天然石墨两种。石墨的微观结构特点：具有一层碳原子结构，层间的原子通过较强的共价键结合在一起，具有较小的原子间距，但层与层之间的原子通过较弱的范德华力结合，间距较大。这样的特点就造成了石墨具有较低的机械性能，同时造成透气性能差，总结起来就是多孔易碎。石墨极板的成型方式一般分两种，第一种是机加工石墨极板，基本简单的工艺流程是将石墨粉、焦炭粉与可石墨化的树脂等材料混合成型，经过焙烧、浸渍后，再经过高温处理得到无孔或低孔的石墨块，再经过切割、研磨获得厚度较薄的石墨板材，最终经过机加工得到拥有流场、出口区和过渡区等结构的极板。机加工的石墨极板通常孔隙率大、机械性能低、厚度较厚、成本高，同时很难适应汽车剧烈振动的使用条件，这就大大限制了其商业应用的价值。第二种是模压膨胀石墨极板，这里要理解的是“模压”是动词，“膨胀石墨”是名词，膨胀石墨是由天然鳞片石墨制得的一种疏松多孔的蠕虫状物质。模压膨胀石墨极板的基本简单的工艺流程是将膨胀石墨颗粒压制成膨胀石墨板材，再经模具压制成型为极板，然后利用低黏度的树脂溶液对板材进行真空浸渍，使得溶液进入膨胀石墨板材的孔隙中，最后经过高温固化得到成品的极板。模压膨胀石墨极板中的树脂主要作用是填充孔隙和增加机械性能，但是随着树脂含量的增加，极板的导电性能会下降，其次树脂的流动性能也会影响透气性能，再次树脂在成型后的硬度变化会导致极板出现裂纹，这些问题都是模压膨胀石墨极板的技术挑战。另外，还有个小问题是，在模压过程中，模具可能会带入微量的金属，影响催化剂和质子交换膜的性能。目前石墨极板在商业上已经被金属极板取代了，但还是有所应用的，主要还是应用在氢燃料电池的前期开发验证中，以机加工石墨极板为主，其更灵活，毕竟模具可不是随便就能花钱整的(模压膨胀石墨极板和金属极板都需要模具)。8-3-2金属极板从极板功能上讲，金属极板相比石墨极板的劣势就是耐腐蚀性差，这也是金属极板面临的最大问题，其它的性能，如优异的导电导热性能、良好的机械加工性能、强度高、气密性好、成本低等优势都让金属极板更易于商业化生产。从使用需求上讲，金属极板能满足车用燃料电池体积比功率密度的要求、能满足车辆实际使用中的抗震性要求、能满足车辆低温启动要求，这些优势进一步提升了金属极板的商业化。目前金属极板最常用的两种材质：SS316L和钛。不锈钢是最早应用于金属极板的材料，随着氢燃料电池的不断发展，钛已经逐渐取代不锈钢成为金属极板的主要发展方向。相比于不锈钢而言，钛具有密度小、耐腐蚀性强、易加工、较高的强度重量比(相同重量，具有更高强度；相同强度，具有更低的重量)等优势，这些优势都是钛逐渐取代不锈钢的原因。但是钛极板的突出问题是表面会形成绝缘的钛氧化膜，大大的增加了极板表面的接触电阻，严重影响电池性能。不锈钢极板在阴极氧化性气氛下，表明会形成一层稳定致密的氧化铬钝化层，其溶解速率较小，因此可以阻止极板的合金元素溶解，但是这种膜具有半导体的性质，其厚度会在阴极氧化气氛下增加导致接触电阻增大，从而影响电池性能；在阳极还原性气氛下，不锈钢表面很难形成或形成厚度较小的氧化铬钝化层，会导致金属表面被腐蚀。虽然可以通过增加合金中的镍、铬含量对其耐腐蚀性和导电性有所提升，但是要付出大量的研究工作和资金成本。综合来看，对金属极板进行表面防护处理是较为简单、易行的解决方案。涂层应该具有良好的导电性能和耐腐蚀性能，与金属基材有良好的结合性能。关于涂层技术，在这我就不多说了，推荐一本书，化学工业出版社的《质子交换膜燃料电池金属双极板表面防护技术》，某宝只有复印版在售了。金属极板的制造工艺一般有冲压、压印、压铸及电磁成型等工艺形式。其中电磁成型技术还不够成熟，压铸成型又受限于狭小空间内金属流动性的问题，对于较薄的极板很难成型，压印成型的效率又比较低，没有量产的优势，因此当前阶段冲压成型是极板商业化的主要研究方向。冲压的主要缺点是冲压出的形状不够精确、尺寸回弹及在压制薄板时容易产生翘曲，目前金属极板厚度已经达到0.1mm了，所以金属极板冲压过程的变形机理和冲压后翘曲控制是今后金属极板的研究难点。针对这些难点，目前大致有三个研究方向：一是冲压性能与温度的关系，研究表明金属可冲性与温度成正比，当温度到达250℃时，到达最佳冲压条件，也就是说冲压前，需要对极板进行加热处理，这对设备及工艺流程都是一个挑战；二是增加冲压步骤，采用预冲压+最终冲压的两步冲压工艺，在预冲压与最终冲压之间对极板进行中间处理，如退火处理，以消除预冲压过程中产生的内应力和加工硬化，提高极板的塑性和韧性；三是采用动态冲压，动态冲压相对静态冲压，除了利用材料的塑性变形原理外，还借助了高速冲击所带来的能量。在高速冲击下，材料的变形行为和应力状态与静态冲压有所不同，在动态冲压过程中，材料在瞬间受到高能量冲击，其内部的应力波传播会影响材料的变形方式，使得材料能够更快地填充模具型腔，并且可能会改善材料的微观组织结构，该工艺可以较好解决翘曲问题，但是设备过于昂贵。8-3-3复合极板通过“复合”两个字就可以快速理解，复合极板是由2种或2种以上材料组合而成的，通过对石墨极板与金属极板的了解，可以了解到一种材料负责抗腐蚀性，那么另一种材料就需要负责机械性能，简单理解就是复合双极板就是在复合矛盾体。关键是要知道怎么复合的？钢筋混凝土中的混凝土负责填充成型、抗腐蚀，钢筋就负责框架结构、增加机械强度。复合极板的第一种成型方式就出来了，以金属材料为基材，负责结构强度，以为石墨等材料制成表面结构，负责抗腐蚀，这样复合双极板就兼容了金属极板与石墨极板的优势。在东北吃火锅，有个食材叫冻豆腐，豆腐本身是软的，经过冷冻之后，豆腐里的水变成冰，冰就增强了豆腐的强度，这个冰就是填料，豆腐就是基材。复合极板的第二种成型方式就出来了，石墨/碳为基材，以碳纤维等强度材料为填料，二者复合为兼容机械性和抗腐蚀性的极板，典型代表为“碳/碳复合极板”。应该还有第三种成型方式，但我觉得应该属于第二种的衍生成型，就是基材为热固性树脂或热塑性树脂，填料为石墨/碳，成型方式恰恰与第二种相反，一般称为“热固性复合极板”和“热塑性复合极板”。复合极板在研究发展中，主要面临着材料兼容性与界面结合问题、高精度成型工艺复杂问题以及高昂的制造成本与材料成本问题，这些问题阻碍了其商业化生产和发展。持续更新中......来源：闲村野夫