雄韬股份中央研究院：燃料电池金属双极板材料与涂层研究(干货满满）

在今天会议上，雄韬股份中央研究院杨骄博士发表了“燃料电池金属双极板材料与涂层研究”的主题演讲。主要包括：燃料电池双极板功能特点、燃料电池双极板分类、金属双极板镀层研究进展、金属双极板镀层未来研究路线；详细见PPT。在看本文前，欢迎识别二维码申请加入氢燃料电池微信群：

1.燃料电池双极板功能特点

随着市场对大功率金属堆需求的增加，金属板的市场应用在快速扩大。从技术角度来看，金属板在抗弯、抗压强度、导电性、批量生产等方面有着显著的优点，但也有一些缺点需要去克服，最典型的是腐蚀性能比较差，仍然需要寻找更合适的镀层方案提高耐腐蚀性。

燃料电池双极板功能特点

双极板的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。双极板是燃料电池重要部件之一，其重量约占PEMFC电堆的80%，成本约占24%。

燃料电池双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到单电池链接、输送燃料、电流收集和传导、支撑电堆和MEA、排除反应产生的热量、排出反应产生的水等重要作用。

在保持一定机械强度和良好阻力作用的前提下，双极板厚度应尽可能地薄，以减少对电流和热的传导阻力。

2.燃料电池双极板分类

燃料电池双极板分类

目前市场上氢燃料电池的双极板材料有石墨、金属和复合材料三类。相较于石墨板和复合板一般用于中、低功率电堆，金属板则因其在超薄状态下的成形性能优于其他材料，在高功率电堆中越来越得到重用。

具体来看，金属板的制备包括极板构型设计、精密模具设计与加工、超薄板精密成型、长寿命复合纳米涂层、一体化密封技术等，其中金属板的基材及镀层的选择值得关注。

主要有石墨板，复合板，金属板，同时对比了各种材料的优劣势。

3.金属双极板镀层研究进展

(1)制作步骤

(2)不同金属板镀层的性能对比

金属双极板镀层研究进展金属双极板表面镀层材料主要有：导电聚合物复合材料、贵金属表面修饰材料、氮掺杂或碳基合金材料。一般金属双极板基材包括：不锈钢、钛、镍、铝。从化学稳定性、成本、可加工性、机械强度、耐蚀性、热导率、电导率等维度对比这些基材，可以看到不锈钢基材有优异的导电导热性能，以及很高的力学性能。同时制造及加工成本也比较低，这也是大部分厂商选择不锈钢基材的一个原因。

但不锈钢基材也有一些缺陷需要克服，比如在酸性条件下耐蚀性较差，离子析出损伤PEM性能，表面氧化膜会导致接触电阻（ICR）较大。

(3)金属板镀层的腐蚀机理：应力腐蚀与电化学腐蚀

耐腐蚀性是金属板非常重要的一个性能。腐蚀是怎么产生的？主要来源于应力腐蚀，以及化学腐蚀与电化学腐蚀。应力腐蚀是指在冲压生产过程中，导致的应力集中，从而产生位错、空位、晶界等；化学腐蚀与电化学腐蚀主要有缝隙腐蚀与点腐蚀，主要发生场所是表面的颗粒、附着物、夹杂物及金属间化合物。所以需要镀层去改善整个基材的性能。

(4)镀层工艺，PVD，PECVD，CVD，化学镀，热浸镀，电镀等

镀层有金属镀层、碳膜镀层、氮化物膜、碳化物膜。其中碳膜镀层：交替基底偏压沉积法：以15个交替周期沉积的涂层在 0.6 V 电势下，涂层厚度为242 nm，腐蚀电流密度为 0.297 μA/cm²，ICR 值为 3.58 mΩ·cm²；多层碳基涂层改性双极板，可有效减少涂层缺陷而提高极板的耐腐蚀性能

（5）金属板镀层的影响因素，如温度，pH值，F-离子浓度，CL-离子浓度，氢气浓度和压力，电势，启/停工况，顺势电势等。

镀层影响因素可以主要分为工作环境、工作条件两大类。在电堆运行的过程中，温度、PH值、氢气浓度及压力等改变都会影响它的性能；包括电势、启/停工况、瞬态电势等也会对它有一定的影响。所以需要去优化镀层结构，以提高整个电堆的性能。

4.金属双极板镀层未来研究路线

1）、高导电、高耐腐蚀涂层——基本要求；2）、合适硬度—提高稳定性；3）、超薄—降低体电阻；4）、低成本、批量化制备—推进金属板商用进程。

演讲的最后，杨骄博士指出：制备高导电、高耐腐蚀涂层，这是金属板镀层最基本的要求。另外寻找合适的硬度，可以提高整个电堆的稳定性；镀层做得越薄，可以降低电阻；低成本、批量化制备则可以推进金属板的商用进程。

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