《燃料电池技术》课件-1.5.3.1双极板的类型

氢能技术应用专业教学资源库双极板的类型目录CONTENTS双极板的分类PART02双极板的作用PART0101双极板的作用双极板的作用双极板又称集流板，是电池的重要组成部分，其作用为：（1）分隔氧化剂与还原剂；（2）串联各单电池并具有集流作用：（3）在整个电极上均匀分布反应气体；（4）传导热量，使电池的废热顺利排出；（5）提供冷却液流体通道；（6）刚性，支撑MEA。双极板的特点结合双极板的功能，PEMFC的双极板必须具备以下特点：（1）鉴于双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道，所以双极板必须是无孔的，若是复合双极板，那至少有一个是无孔；（2）双极板实现单电池之间电的联结，起到收集传导电流的作用，而PEMFC的电压低、电流大，因此它必须由导电良好的材料构成，以防止内阻过大而影响电池的效率；（3）燃料气体和氧化剂气体通过由双极板、密封件等组成的公共孔道，并通过每个单电池的吸入管通向每个单电池，流场均匀地分布在电极上；（4）阳极板的材料必须在阳极工作条件（特定的电极电势、氧化剂、还原剂等）下具有耐腐蚀性能，以满足电池组的使用寿命，通常为数千小时至数万小时。综上所述，双极板必须是电与热的良导体，有一定的强度和气体致密性，具有耐腐蚀性，与燃料电池其他部件与材料相容且无污染性，有一定的憎水性，协助电池生成水的排出。02双极板的分类双极板的分类作为燃料电池双极板的基础材料有碳基与金属基两大类，由于尚无一种完美的材料可同时满足作为双极板的所有要求，如气体抗渗性、导电性、机械强度、耐蚀性以及低成本等，因此，也有复合材料或涂层材料用于双极板的制造。01双极板的分类根据材料的不同可以分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。石墨双极板目前PEMFC中采用较多的是石墨双极板。石墨双极板具有耐腐蚀性强、导电导热性能好的优点。石墨材料最早被利用来制造双极板，包括人造石墨和天然石墨两种。石墨在燃料电池工作环境下具有优异的耐蚀性、高化学稳定性、对催化剂和膜无污染以及良好的导电性。这些优点使石墨材料成为一种很好的制造双极板的原料，其流道一般采用机加工生产。半导体设备与材料制造商英特格（Entegris）的子公司POCOGraphite石墨公司生产了一种经典的石墨板。该公司是领先的材料开发商，专门从事优质的石墨/碳化物及其他先进材料的生产。POCO生产了一系列高强度、具有精细结构和各向同性的石墨，并保证均匀一致的微观结构以满足极板使用。针对燃料电池应用，开发了一种著名的无孔石墨材料PyroCell，用来保证电堆中不存在极板泄漏问题，石墨双极板PyroCell典型材料性质。01表观密度抗弯强度压缩强度电阻率热膨胀系数肖氏硬度纯度1.78g/mL1300psi22000psi580μΩ·in4.4μin（in·F）7499.99995%石墨双极板然而，石墨材料由于其微观结构的特点在机械性能和工艺性上有其固有的缺点。与普通的碳材料或金刚石不同，石墨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。而层与层之间的原子通过较弱的范德华力结合，间距较大。因此，石墨本质上具有较低的弯曲强度，并且容易发生断裂。这也是为什么石墨板只能通过成本高和周期长的机加工方法生产，且容易产生缺陷。高密度机加工石墨双极板目前PEMFC中采用较多的是石墨双极板。石墨双极板具有耐腐蚀性强、导电导热性能好的优点。缺点为：①为了防止石墨板造成弯曲和收缩等变形的情况，石墨板的石墨化温度需要进行程序升温，需要高于2500℃；②双极板需要进行切割，但花费时间长，对机械的精度要求高，造成成本过高；③因为石墨易碎，难点在于组装；④石墨是多孔材料，须作堵孔处理。目前采用此种工艺的石墨双极板厚度大多在0.8mm以上，石墨双极板的体积比功率和质量比功率都相对较低。柔性石墨双极板因石墨的脆性导致直接使用石墨机加工石墨板无法做到比较薄，业界开发了使用模压工艺生产的柔性石墨双极板。柔性石墨以天然鳞片石墨为材料，先氧化生成可膨胀石墨，再膨化处理成为膨胀石墨。遇高温可瞬间体积膨胀150~300倍，由片状变为蠕虫状，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，材料具有阻燃、密封、吸附等功能。柔性石墨板有一定柔韧性，大幅增加了抗结构应力的能力，成本低、抗腐蚀性强。01柔性石墨双极板01柔性石墨双极板的主要生产工序是：1）将膨胀石墨粉料加入模具中，利用液压机以数百吨的强大压力，将石墨粉料压成双极板坯，此时石墨颗粒之间只是靠压力挤压导致嵌合在一起，力学性能较差，容易损坏；2）使用光学仪器自动检测技术，将表面有缺陷的双极板挑出，重新粉碎作为原料回收，良品下行；3）将双极板坯放入密封腔体中抽真空，将内部空气全部抽出，然后在真空状态用胶液淹没双极板，并给腔体充气加压，让胶水浸透到石墨板中间；4）取出双极板沥干，清洗去表面的胶液，让表面保持良好导电状态；5）将双极板在约120℃的烤箱中烘烤30分钟，让内部的胶固化，得到成品双极板。金属双极板01金属双极板的优点在于强度高、韧性好、导电性和导热性好，成本低，而且致密易于加工，可显著降低流场板厚度（良好的机械加工强度使得金属双极板厚度可达1mm以下），大大提高了电池功率密度，是微型燃料电池的最优选择。缺点为：在PEMFC的工作环境（氧化性气氛，一定的电位和弱酸性电解质）下易被腐蚀，并且由于表面钝化（阴极）而使内部电阻迅速增加。金属双极板常用的金属材料是铝、镍、铜、钛和不锈钢。金属双极板受到腐蚀后金属粒子会污染质子交换膜，增加质子传递阻力，从而影响电池的性能，因此要对其表面改性或添加涂层，使得双极板既能保证导电需要，又能防止被腐蚀。目前研究较多的是不锈钢板，不锈钢板有成本低、强度大、易成型、体积小的优点。例如，采用中空阴极放电法在不锈钢上涂上一层超薄TiN膜，从而提高了其抗腐蚀性。01复合双极板复合双极板采用薄金属板或高强度导电板作为分隔板，边框采用塑料、聚砜和聚碳酸酯等，边框与金属板之间采用胶连接，以注塑与焙烧法制备流场板。有两种：一种是金属石墨复合双极板，即以金属片为基材，在两侧复合石墨材料层，具有金属成型容易、耐漏电性优异的优点。另一种是高分子复合材料双极板，具有热塑性聚合物材料的塑性，即材料在黏度流动转变温度下具有流动性和黏附性。复合双极板可以通过挤出成型、注塑成型和压缩成型获得各种形状的产品，并根据阳极板和工艺要求通过流动成型生产模具，然后将耐腐蚀的热塑性聚合物材料与导电填料