隨著人們環(huán)保意識的提高和自然資源的缺乏，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）越來越受到社會的關(guān)注。

與傳統(tǒng)能源相比，PEMFC具有效率高、使用壽命長、零排放、低溫快速啟動等特點，能同時解決節(jié)能和環(huán)保兩個全球性難題，是未來最有前途的能源來源之一。目前PEMFC開發(fā)和商業(yè)化過程的限制主要是可靠性、耐久性低、費用高。

作為PEMFC的重要組成部分，雙極板的質(zhì)量約占電池組的80%，成本約占38%，幾乎占燃料電池組的全部體積，因此其材料的選擇與PEMFC電化學(xué)性能密切相關(guān)，因此雙極板材料的研究成為PEMFC研究的熱點之一。

一、雙極板材料的類型及研究進展

目前，國內(nèi)外對PEMFC正極板材料的研究主要集中在石墨、金屬、聚合物復(fù)合材料上。

在國際市場上，歐美和日本的石墨、金屬雙極板總體較強，美國、英國的復(fù)合材料雙極板處于世界先進水平，國內(nèi)石墨雙極板比較成熟，個別廠家生產(chǎn)的石墨雙極板的一些性能已經(jīng)達到國際先進水平金屬與復(fù)合材料雙極板在我國研究較晚，技術(shù)仍有較大提高空間。

石墨雙極板

石墨是最早和使用最多的雙極板材料。

雙極板的成本、機械性能、透氣性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性及表面接觸電阻等作為雙極板的核心指標(biāo)有著嚴格的要求，因此石墨雙極板原材料的選擇及工藝加工技術(shù)影響著能否滿足最終目標(biāo)市場的需要。

原材料

石墨可根據(jù)不同的技術(shù)需要制備粉末、線圈、板材和乳液，其原材料主要分為三大類。

石墨粉：是一種化學(xué)反應(yīng)非常敏感的物質(zhì)，在不同的環(huán)境下，石墨粉能否保證絕緣物中石墨粉不間斷，電阻會發(fā)生變化。耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、塑性、耐熱塑性優(yōu)異。

膨脹石墨：天然石墨鱗片通過插通層、水洗、干燥、高溫膨脹而得到的疏多孔蠕變狀物質(zhì)。除了具有天然石墨本身的優(yōu)異性能外，還具有天然石墨所沒有的柔軟性、壓縮排斥性、吸附性、耐放射性等特性。膨脹石墨在高溫下瞬間體積膨脹到150~300倍。

鱗片石墨：結(jié)晶完整，天然懸浮結(jié)晶石墨，其形狀與魚鱗形狀相似，屬于六方晶系，呈層狀結(jié)構(gòu)，薄片薄韌性好，物化性能優(yōu)良，具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐熱振動性、耐腐蝕性等。

制造工序

石墨雙極板的生產(chǎn)加工主要分為兩種，一種是膨脹石墨復(fù)合材料的板材沖壓成形技術(shù)，另一種是石墨粉末與樹脂混合材料的沖壓/注塑成形技術(shù)。

這里引用加拿大AFCC公司在2017年發(fā)布的這兩個項目的分析報告。

類別1：膨脹石墨板材在研磨、成型及材料去除后，進入浸水樹脂、硫化、粘接及密封硫化工序，最終形成雙極板制品。

此過程具有以下特點：

能夠很好地滿足極板外形、表面的幾何輪廓及機械尺寸的要求

由于膨脹石墨材料的連續(xù)性，具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱特性。

為了滿足所需表面疏水性特性，需要通過工藝和材料的協(xié)同處理來解決

采用滾壓工藝時，其設(shè)計精度和工藝精度有待進一步改進。

合模壓力、樹脂比率及表面接觸電阻的后處理是影響極板性能的關(guān)鍵。

類別2：首先制造調(diào)色劑和樹脂的混合材料，然后對混合材料和模具進行預(yù)處理，然后進行壓制和硫化，最后進行粘結(jié)和密封固化，形成產(chǎn)品。該過程具有以下特點：

能夠很好地滿足極板外形、表面的幾何輪廓及機械尺寸的要求

由于混合顆粒阻斷了石墨材料的連續(xù)性，因此必須在高電流下進一步提高電導(dǎo)率。

滿足需要表面疏水特性需要通過工藝和材料的協(xié)同處理來解決

樹脂配合率和線型、硫化時間及表面接觸電阻的后處理是影響極板性能的關(guān)鍵

目前制備石墨雙極板的技術(shù)基本成熟，但由于石墨的脆性，雙極板體積增大，成本增加，石墨逐漸被金屬和復(fù)合材料取代。