燃料電池金屬雙極板成型工藝綜述

金守一 盛夏 潘興龍

（中國第一汽車有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：燃料電池 金屬雙極板 成形工藝 成本評估

1 前言

在當(dāng)前能源及環(huán)境危機(jī)的背景下，世界各國車企都在大力推進(jìn)新能源車型的研發(fā)。燃料電池可以有效地將多種燃料直接轉(zhuǎn)化為電能，而無需燃燒，這是構(gòu)建具有競爭力的、安全的、可持續(xù)的清潔能源的關(guān)鍵要素經(jīng)濟(jì)。燃料電池具有廣泛的好處，包括減少溫室氣體排放；減少石油消費(fèi)；擴(kuò)大使用可再生能源(通過使用從可再生資源中提取的氫作為運(yùn)輸燃料以及儲(chǔ)存和輸送能源)；高效能源轉(zhuǎn)換；燃料靈活性(使用多種國產(chǎn)燃料，包括氫、天然氣、沼氣和甲醇)；減少空氣污染、標(biāo)準(zhǔn)污染物、用水量；高度可靠的網(wǎng)格支持。由于燃料電池的廣泛適用性和多樣化的使用，其可以解決所有能源領(lǐng)域關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如商業(yè)、住宅、工業(yè)和運(yùn)輸領(lǐng)域等。

雙極板是PEMFC的關(guān)鍵組件之一，其質(zhì)量占到整個(gè)燃料電池堆的60%～80%，而其成本則占到總成本的40%～60%[1]，因此降低雙極板成本是解決PEM?FC商品化的關(guān)鍵因素之一，這使得雙極板的研究成為行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。

1.1 雙極板的主要功能和要求

雙極板的功能主要包括：串聯(lián)各個(gè)單電池并將電流傳遞到集流板上，將燃料和空氣進(jìn)行分離，為燃料和空氣提供流場來均勻分散反應(yīng)氣體，利用合理的流道來排除反應(yīng)產(chǎn)生的水以免發(fā)生水淹，將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行快速排出，為膜電極和電堆提供機(jī)械支撐。基于以上雙極板的功能，質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板需要滿足以下要求：

（1）高的耐腐蝕性、抗彎性、機(jī)械性能和耐久性，并且要求質(zhì)量輕、價(jià)格低，適于批量生產(chǎn)；

（2）為了實(shí)現(xiàn)電流的快速傳遞，減少電能損失，要有高的導(dǎo)電性；

（3）為了使反應(yīng)氣體分布均勻，且順利排出反應(yīng)生成的水，需要有合理的流道結(jié)構(gòu)；

（4）為了將電堆內(nèi)部廢熱排出，保證電堆內(nèi)部溫度均勻，需有高的導(dǎo)熱系數(shù)；

（5）為了防止氫氣穿過極板到陰極，要求雙極板具有極低的氣體滲透率。

1.2 美國能源部技術(shù)目標(biāo)

美國能源部（DOE）于2016年對質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于輕型交通工具提出了2020年的技術(shù)目標(biāo)，該目標(biāo)是由一些汽車公司、能源公司和特定的燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同建立的，具體要求如表1所示。

表1 美國能源部技術(shù)目標(biāo)[2]

從表1中可以看出，相對于2015年的雙極板，2020年的雙極板目標(biāo)主要是為了降低雙極板的成本，將其成本降低57.14%。為了降低雙極板的成本，需要選擇價(jià)格低廉的材料，并且使用簡單的工藝來批量生產(chǎn)，只有這樣才能加快質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的速度。

目前，廣泛應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池中的雙極板材料主要有石墨板、金屬板和復(fù)合雙極板。與石墨雙極板和復(fù)合材料相比，金屬雙極板因具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、致密性，適合大批量低成本生產(chǎn)，受到PEMFC研究者重視。本文介紹了幾種制備金屬雙極板所用的材料及幾種的成形工藝，并分析各自優(yōu)缺點(diǎn)，指出了金屬雙極板的未來發(fā)展方向。

2 金屬雙極板材料

金屬被認(rèn)為是制備雙極板的好材料，因?yàn)槠溆泻玫膶?dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、致密性，并且成本較低加工周期短，有助于大批量生產(chǎn)。典型的金屬如不銹鋼、鋁合金和鈦合金可以很容易地滿足體積要求，板材厚度可以達(dá)到0.1 mm的厚度，這可以大幅提高電堆的體積比功率。目前許多材料研究者都在研究金屬雙極板。可能用于制造金屬雙極板的材料包括金屬/合金，如SS316L不銹鋼、高硅鐵、鉻鎳鋼、鎳銀合金、鈦、鎳鋼、鋁合金；金屬間化合物，如鐵鋁、鈦鋁、鎳鋁；復(fù)合材料，如銅合金與碳纖維和鋁復(fù)合材料等。

事實(shí)上，目前主要研究的是不銹鋼雙極板，材質(zhì)主要集中在奧氏體不銹鋼上，通常SS316L不銹鋼被選擇用于制造金屬雙極板。SS316L是比較好的雙極板材料，但是由于電池是一個(gè)酸性環(huán)境，金屬雙極板易發(fā)生腐蝕產(chǎn)生的金屬離子對膜造成污染，使膜電阻增加，降低電堆的功率密度。而對于一些耐腐蝕的金屬表面通常有氧化物的存在，而氧化物一般導(dǎo)電性較差，這導(dǎo)致了電池內(nèi)部的接觸電阻急劇升高，減少了電池對功率輸出。為了提高金屬雙極板的耐腐燭性能，使其能夠在很長的時(shí)間內(nèi)保持相對穩(wěn)定，一般采取對其進(jìn)行相應(yīng)的表面處理或表面改性，處理工藝主要有電鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等方式?？捎玫耐扛膊牧嫌刑蓟牧虾徒饘俨牧希渲刑蓟牧现饕ǎ菏?、導(dǎo)電聚合物、鉆石，類金剛石碳(DLC)、有機(jī)自組裝單層膜。金屬材料主要包括：貴金屬、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧化物等?？傮w來說，金屬材料特別是不銹鋼可以很容易滿足燃料電池雙極板的要求。但是大問題是金屬易被腐蝕，這會(huì)引起膜或催化劑中毒。使用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理和涂層可以防止不銹鋼與膜直接接觸。許多研究人員已經(jīng)采用不同的方法對金屬雙極板的不同涂層進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。此外，適當(dāng)?shù)牧鲌鲈O(shè)計(jì)可能有助于避免金屬離子的累積，有助于減小燃料電池性能損失。

3 金屬雙極板成形工藝

目前，金屬雙極板的成形工藝主要有沖壓成形、液壓成形及一些特種加工成形。

3.1 沖壓成形工藝

沖壓成形工藝是通過模具對毛坯施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得一定尺寸、形狀和性能的工件的加工方法。該成形工藝是制備金屬雙極板的一種高效工藝。

3.1.1 硬模沖壓成形

硬模沖壓成形示意圖如圖1所示，工作時(shí)，將金屬板材放到下模具上，壓機(jī)上滑塊帶動(dòng)上模運(yùn)動(dòng)，上下模閉合，使金屬板材發(fā)生塑性變形來壓制出極板所需的流道。

圖1 硬模沖壓成形示意圖

硬模沖壓成形其成本較低，現(xiàn)已應(yīng)用于大規(guī)模雙極板制造中。但是這種工藝存在一些難點(diǎn)，如沖壓出的極板尺寸精度很難保證，易發(fā)生回彈，并且在薄板沖壓成形時(shí)易產(chǎn)生翹曲。針對以上問題國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，Kwon等[3]研究了沖壓速度、沖壓溫度和沖壓力對兩步?jīng)_壓工藝成形壓出的極板質(zhì)量的影響。該研究表明金屬板材的成形性與沖壓力、沖壓溫度成正比，兩步?jīng)_壓工藝可以提高流道成形深度極限，同時(shí)，在高溫成形條件下，可以減小壁厚的減薄率。

瑞典Cell Impact公司將沖壓速度提高，在極短時(shí)間內(nèi)將沖頭的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高達(dá)4 GPa的壓強(qiáng)，金屬板料在高壓強(qiáng)下以近似液態(tài)形式填充模腔，成形金屬雙極板。該瞬時(shí)沖壓方法比較好地解決了翹曲問題，但是成形設(shè)備過于昂貴[4]。

3.1.2 軟模沖壓成形

金屬雙極板軟模沖壓成形過程示意圖如圖2所示，用軟模（如聚氨酷橡膠）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖壓成形中的一個(gè)鋼模，成形過程中，鋼模在液壓機(jī)作用下向下運(yùn)動(dòng)，擠壓金屬薄板和橡膠墊，橡膠墊產(chǎn)生變形，在摩擦力作用下與板料一起填充滿模具型腔。HUNGA等人[5]利用軟模沖壓成形已成功制備了帶有蛇形流道的SS304不銹鋼雙極板，流場寬度0.8 mm，流場深度0.5 mm，流場脊寬1.2 mm。軟模成形方法可以使雙極板表面質(zhì)量更好，并且不會(huì)產(chǎn)生翹曲和破裂，同時(shí)，模具結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但受到橡膠墊的流動(dòng)性影響，軟膜成形存在成形極限問題，此外，有待提高橡膠墊片的耐磨性。

圖2 軟模沖壓成形示意圖

3.2 液壓成形工藝

液壓成形是指以液體為傳力介質(zhì)或模具成形零件的一種塑性加工技術(shù)。圖3是金屬雙極板液壓成形工藝示意圖，成形過程為：首先，將板材放到模具內(nèi)；然后，通過壓力機(jī)進(jìn)行合模；最后，通過高壓設(shè)備在模腔內(nèi)部建立高壓源使板材發(fā)生塑性變形，制備出極板。與沖壓成形工藝相比較，液壓成形工藝可以提高板材的拉延比，并且可以獲得更好的表面質(zhì)量，同時(shí)也可以減少極板的回彈，這很適合制備復(fù)雜圖案的金屬雙極板。但是液壓成形設(shè)備很貴，且保養(yǎng)與維護(hù)費(fèi)用較高，這制約了液壓成形工藝的實(shí)際應(yīng)用。液壓成形可以制備深寬比較大的流道，但受限于雙極板材料本身的金屬延伸性能，Monhammadtabar等人[6]采用兩步液壓成形的方式獲得了比一步液壓成形更深的凹槽。

圖3 液壓成形示意圖

3.3 特種加工工藝

LEE等人[7]利用有限元方法模擬了電化學(xué)刻蝕金屬雙極板的成形過程，提出在電極上覆蓋一層絕緣層，以減小擴(kuò)散電流密度和提高產(chǎn)品的尺寸精度，已在SS316薄鋼板上刻蝕出了蛇形流場。但表面光潔度不高，對氣體流動(dòng)效率有影響，需進(jìn)一步后續(xù)處理。并且電化學(xué)刻蝕工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，不適合大批量生產(chǎn)。因此，其應(yīng)用于金屬雙極板的商業(yè)化制備仍存在一些問題。

4 金屬雙極板的技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

目前，阻礙燃料電池商業(yè)化的障礙主要是成本和耐久性，因此，降低金屬雙極板的成本和提高耐久性成了主要的研究方向。下面從金屬雙極板的結(jié)構(gòu)形式、材料種類及制備工藝角度闡述其制備過程的技術(shù)難點(diǎn)：

（1）由于金屬雙極板的流道窄而深，這導(dǎo)致沖壓成形時(shí)圓角處易開裂；

（2）在氣體分配區(qū)與直流道區(qū)過渡圓角處，由于薄板拉伸時(shí)易在該圓角過渡處出現(xiàn)應(yīng)力集中，這會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域壁厚減薄甚至開裂，為解決該問題可以通過設(shè)計(jì)非均勻圓角來解決；

（3）在雙極板的不同區(qū)域，如果氣體流動(dòng)形式存在很大差異，這會(huì)導(dǎo)致雙極板的壽命衰減不同，進(jìn)而導(dǎo)致電堆壽命下降；

（4）由于金屬雙極板厚度很薄，且部分區(qū)域存在不合理的無特征形狀區(qū)，這導(dǎo)致其具有較低的抗彎強(qiáng)度，因此，要減小無特征區(qū)域面積，并設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)來提高雙極板的抗彎強(qiáng)度；

（5）金屬雙極板的連接過程是通過激光焊接工藝完成的，這要求制備出的極板具有優(yōu)異的平面度。同時(shí)，由于其焊道窄而長，這對激光焊接工藝是很大的挑戰(zhàn)；

（6）由于金屬雙極板所處的工作環(huán)境是pH值為1-3之間的酸性環(huán)境，這對其耐腐蝕性有很高的要求。因此，需要在雙極板表面涂覆一層耐腐蝕涂層，并要求其在較高的工作電位時(shí)不會(huì)出現(xiàn)脫落。

5 金屬雙極板成本評估

目前，商業(yè)的燃料電池汽車已經(jīng)可以獲得了，但是其價(jià)格相對還是比較昂貴，為了使氫和燃料電池技術(shù)的廣泛商業(yè)化，降低燃料電池成本是至關(guān)重要的。SA（Strategic Analysis,Inc.）公司[8]針對80 kW汽車用燃料電池系統(tǒng)以每年500,000套的產(chǎn)量進(jìn)行成本分析，評估認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)的成本為53美元（約367元人民幣）/kWnet。SA公司評價(jià)的燃料電池系統(tǒng)所用的金屬雙極板的材料為SS316L不銹鋼。該金屬雙極板的制備工藝如下：首先，對板材進(jìn)行連續(xù)沖壓成形制備出金屬單板；然后，利用激光焊接工藝將兩塊單板進(jìn)行連接；最后，利用物理氣相沉積（PVD）進(jìn)行表面涂覆來制備金屬雙極板表面的耐腐蝕涂層。雙極板的成本主要取決于材料種類、成形工藝、連接工藝及涂覆材料和涂覆工藝等。SA公司的調(diào)查結(jié)果顯示：以每年500,000套的產(chǎn)量為基礎(chǔ)，金屬雙極板的成本為8.17美元（約55.68元人民幣）/kW，這大約占燃料電池系統(tǒng)成本的15%，占燃料電池電堆成本的30%；以每年10,000套的產(chǎn)量為基礎(chǔ)，金屬雙極板的成本為9.65美元（約67.16元人民幣）/kW，這大約占燃料電池系統(tǒng)成本的11%，占燃料電池電堆成本的20%。SS316L不銹鋼板材的成本為3.5美元（約24.36元人民幣）/kWnet，比DOE（美國能源部）的2020年目標(biāo)3美元（約20.88元人民幣）/kWnet高16.67%。從分析結(jié)果可以看出，雙極板的成本仍有很大的降低空間，尤其對于高產(chǎn)量的情況，燃料電池系統(tǒng)對雙極板的成本很敏感，因此，需要進(jìn)一步的優(yōu)化金屬雙極板的材料和制備工藝，來進(jìn)一步將低雙極板的成本以降低燃料電池系統(tǒng)的成本，最終達(dá)到推動(dòng)燃料電池汽車快速商業(yè)化并具有競爭力的目的。

6 結(jié)束語

本文對金屬雙極板從使用材料、成形工藝、美國能源部2020年的目標(biāo)、成本評估及技術(shù)難點(diǎn)與解決措施幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述。得到如下結(jié)論：

（1）金屬雙極板具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、致密性好、機(jī)械加工性能好、成本低和適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但其耐腐蝕性能較差，需進(jìn)行表面涂覆一層耐腐蝕薄膜；

（2）金屬雙極板所用的材料主要有合金（不銹鋼、高硅鐵、鉻鎳鋼等）、金屬間化合物（鐵鋁、鈦鋁、鎳鋁等）以及一些復(fù)合材料（銅合金與碳纖維和鋁復(fù)合材料等）；

（3）金屬雙極板的成形工藝主要有沖壓成形、液壓成形及一些特種加工成形（如化學(xué)刻蝕），不同的成形工藝具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，最適合大規(guī)模批量生產(chǎn)的工藝即為沖壓成形工藝；

（4）金屬雙極板制備的難點(diǎn)主要有流道尺寸窄而深、流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、沖壓成形過程的局部應(yīng)力集中以及窄而長的焊縫等；

（5）對于80 kW汽車用燃料電池系統(tǒng)以每年500,000套的產(chǎn)量分析，金屬雙極板的成本8.17美元/kW，這大約占燃料電池系統(tǒng)成本的15%，占燃料電池電堆成本的30%。SS316L不銹鋼板材的成本為3.5美元（約24.36元人民幣）/kWnet，比DOE的2020年目標(biāo)3美元（約20.88元人民幣）/kWnet高16.67%。