质子交换膜燃料电池双极板研究

随着世界对能源需求的不断增长和环境污染的关注，燃料电池引起了广泛关注，它是直接连续地把化学能转化为电能的发电系统，是继水电、火电和核电之后的第四种发电装置。理论上讲，燃料电池电热转化效率可达85%~90%。根据所用电解质的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）五大类。其中，质子交换膜燃料电池属于低温燃料电池（如图1所示），具有高的转换效率、低的操作温度以及低污染等特点，应用十分广泛，目前主要应用于交通、便利电源装置和家庭发电装置等领域。

燃料电池是把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统。其中，质子交换膜燃料电池有着寿命长、比功率和比能量高、室温下启动速度快等优点，可作为移动式电源和固定式电源使用，且在军事、交通、通讯等领域有着广阔的应用前景，被认为是适应未来能源与环境要求的理想动力源之一。

双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量和成本，且承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。为了满足这些功能需要，理想的双极板应具有高的热/电导率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能以及低成本、易加工等特点。但目前生产的双极板存在耐蚀性和导电性匹配性差、生产成本高和寿命短等问题。实现双极板材料的导电性和耐蚀性的合理匹配，即在保证导电性合理的前提下，实现高的耐蚀性，保障整个体系的服役寿命，是燃料电池商业化的关键环节之一。

双极板的作用主要体现在分隔氧化剂和燃料、传导电流、支撑膜电极以保持电池堆结构稳定，因此双极板必须具有阻气性、良好的导电性与耐蚀性以及一定的力学性能（强度）。双极板材料目前存在的关键问题是如何实现涂层材料的导电性和耐蚀性的合理匹配，即在保证合理导电性的前提下，实现高的耐蚀性，保障整个体系的服役寿命。最近研发的双极板材料主要分为三大类：金属双极板、石墨双极板以及复合双极板，本文系统总结了这三类双极板材料的研究进展，包括双极板的导电/热性、耐蚀性和力学性能，以及各类材料的优缺点和应用领域。

目前广泛用作质子交换膜燃料电池双极板的基体材料主要有石墨材料、金属材料及复合材料三种。这三种材料制成的双极板有不同的优缺点，但综合而言均不能满足双极板的性能要求。针对以上问题，近几年来研究者利用掺杂或表面改性的方法，在弥补双极板材料的性能不足方面取得了较多的成果，很多改进后的材料已经可以满足美国能源部提出的性能要求。

燃料电池双极板涂层制备

超声波喷涂技术可制备出高均匀度、高致密性的碳基催化剂涂层，如在Nafion质子交换膜上沉积铂碳、钯碳、钌碳等催化剂涂层，致密均匀且无溶胀现象。故此，超声波喷涂技术已被业界广泛认为是质子交换膜燃料电池膜电极的关键制备技术。 超声波喷涂设备可以喷涂于各种不同的金属合金，其中包括铂、镍，铱和钌基燃料电池催化剂涂层的制备，以及PEMs、GDLs、DMFCs(直接甲醇燃料电池)和SOFCs(固体氧化物燃料电池)的制造。采用此技术制造出的电池具有高电池负荷及高电池效率的特点。