雙極板根據(jù)材料的不同可以分為金屬雙極板、石墨雙極板和復(fù)合材料雙極板，下表列出了不同材料雙極板的優(yōu)勢與劣勢。

表 不同雙極板材料的優(yōu)缺點(diǎn)

本文綜述了石墨雙極板、金屬雙極板以及復(fù)合材料雙極板的特點(diǎn)、加工工藝及其制備方法，并對金屬雙極板涂層進(jìn)行了綜述，最后，介紹了不同材料雙極板燃料電池的應(yīng)用。

一、石墨雙極板

石墨由于其導(dǎo)電率高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性強(qiáng)且耐腐蝕的特點(diǎn)，是目前國內(nèi)雙極板應(yīng)用的主流。石墨是一種多孔脆性材料，強(qiáng)度低脆性大，不能滿足雙極板氣密性要求，需要反復(fù)進(jìn)行浸漬、碳化處理制成無孔石墨板。

無孔石墨板一般由碳粉/石墨粉和石墨化樹脂在高溫(2500 ℃)條件下石墨化制備而成的。這個(gè)過程需要進(jìn)行嚴(yán)格的升溫程序，因此，生產(chǎn)周期長、成本高。另外，石墨化后由于雜質(zhì)的蒸發(fā)，可能會(huì)出現(xiàn)新的孔隙，導(dǎo)致石墨板表面的孔隙率為 20%~30%。

氣孔的存在有著導(dǎo)致PEMFC泄漏，從而降低反應(yīng)氣體濃度，進(jìn)而降低電堆性能的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要對石墨板進(jìn)行浸漬處理，以降低其孔隙率并改善其表面質(zhì)量，目前應(yīng)用較為廣泛的是經(jīng)過反復(fù)浸漬的無孔石墨板。圖1展示了浸漬前后電堆電流密度（J）電壓（U）曲線的對比，可以看出浸漬后的雙極板組裝成的電堆性能有了明顯提升。

1.機(jī)加石墨板

國內(nèi)生產(chǎn)商大多采用人工石墨機(jī)械加工的方式實(shí)現(xiàn)，流程圖如圖2所示，其工藝步驟主要包括： 

1. 原材料準(zhǔn)備：在 1 000~1 300 ℃的溫度下，將焦炭和瀝青混合后焦化形成碳素，然后將碳素材料浸漬瀝青、烘焙，再用電熱爐在 2 500~3 000 ℃的溫度下，予以石墨化； 

2. 切片：根據(jù)雙極板尺寸進(jìn)行粗略切片處理； 

3. 浸漬：石墨切片之后進(jìn)行樹脂浸漬處理，浸漬的目的是用合成樹脂填塞石墨表面和內(nèi)部的孔隙，一般要浸漬 24 h，然后進(jìn)行熱處理使樹脂固化而制成，根據(jù)浸漬樹脂的不同，分為酚醛浸石墨和糠醇浸石墨等； 

4. 打磨：由于切片后的尺寸較為粗糙，而且浸漬后的石墨板表面光潔度也差，所以需要粗磨、中磨和細(xì)磨；

5. 雕刻加工：雕刻加工是雙極板加工關(guān)鍵步驟，雙極板的尺寸公差以及流場的質(zhì)量取決于雕刻機(jī)的精度。

由于石墨板的低強(qiáng)度和脆性，此加工方法不適合形成超薄雙極板(小于 1.5 mm)。而這種方法可能會(huì)導(dǎo)致刀具與石墨的摩擦過大，導(dǎo)致雙極板的尺寸精度和表面質(zhì)量較差。

Lei等發(fā)現(xiàn)，在加工過程中，石墨被壓碎成小顆粒和細(xì)塵，刀具在刀尖處受到高沖擊和壓應(yīng)力，流道的加工還增加了總成本，因此，該方法在國外已逐漸被淘汰，國外大部分廠商采用注塑成型或模壓成型的生產(chǎn)方式。 

2.注塑石墨板

注塑石墨板是將一定比例的石墨與樹脂混合料從注塑機(jī)的料斗送入機(jī)筒內(nèi)，被加熱融化后的混合料通過加壓經(jīng)由噴嘴注入閉合模具內(nèi)，經(jīng)冷卻定形后，脫模得到制品。為了提高雙極板的導(dǎo)電性，可以在混合物中加入一些金屬粉末，同時(shí)可以加入碳纖維或陶瓷纖維來提高機(jī)械強(qiáng)度。

然而，注塑成型也有許多缺點(diǎn)，如長時(shí)間的粘結(jié)劑去除(長達(dá)7 天)，厚截面開裂，尺寸限制以及缺陷。進(jìn)一步石墨化可以提高板材的性能，但這將大大增加成本，因此，該方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)。 

3.模壓石墨板

為了解決加工成本高及規(guī)模化生產(chǎn)的問題，研究者開始采用模壓成型工藝制造雙極板。其工藝流程為：首先對石墨粉與樹脂的混合材料進(jìn)行制備，然后對混合材料和模具進(jìn)行前處理，采用聚合物的熔融溫度和一定壓力，使得粉料在模具中流動(dòng)并充滿整個(gè)行腔，固化脫模后得到雙極板。如果粘結(jié)劑為熱固性塑料，一般只需要幾分鐘就可以固化脫模；如果所用粘結(jié)劑為熱塑性塑料，則需將模具冷卻到粘結(jié)劑熔點(diǎn)以下的溫度后脫模。

總體來說，目前石墨雙極板市場需求量大，但其空隙問題、成本問題以及加工時(shí)長問題仍有待完善。另外，在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄，以減少對電流和熱的傳導(dǎo)阻力。

從當(dāng)前國內(nèi)氫燃料電池汽車運(yùn)營實(shí)際情況來看，客車、物流車、環(huán)衛(wèi)車、叉車等商用車型成為市場主推車型，而商用車的高頻次使用場景決定了其對零部件的耐久性有要求較高。石墨雙極板正是憑借其耐久性長，因而更適合當(dāng)前示范運(yùn)營的燃料電池商用車領(lǐng)域。

二、金屬雙極板

與石墨雙極板相比，金屬雙極板因其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、制作工序較少、可制作超薄雙極板，并且量產(chǎn)工藝成熟，可以大幅降低量產(chǎn)成本而備受關(guān)注。到目前為止，不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金、銅合金和金屬基復(fù)合材料已被應(yīng)用于雙極板制造。但使用過程中存在易腐蝕的缺點(diǎn)，需要表面改性涂層保護(hù)。 

1.金屬雙極板成型工藝

沖壓與液壓成型工藝

沖壓工藝是用壓力裝置和剛性模具對板材施加一定的外力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀或尺寸的一種方法。沖壓坯主要為熱軋和冷鐓鋼板，占世界鋼材的 60%~70%。因此，從原材料的角度來看，沖壓工藝占主導(dǎo)地位。而且，沖壓工藝生產(chǎn)的雙極板成本低和生產(chǎn)率高，具有薄（低至 0.051 mm）、均勻和高強(qiáng)度的特性，廣泛用于汽車，航空航天和其他領(lǐng)域。

液壓成型工藝是一種利用液體或模具作為傳力介質(zhì)加工成產(chǎn)品的一種塑性加工技術(shù)，液壓成型原理圖如圖3所示。與沖壓工藝相比，模具需求量少（只需要一套模具）。液壓成型在尺寸和表面質(zhì)量方面優(yōu)于沖壓工藝，而沖壓工藝具有較高的生產(chǎn)率。

橡膠墊成型工藝

橡膠墊成型，也稱為柔性成型工藝，是一種用于微/中型流道成型的新型沖壓方法，該方法可以解決沖壓和液壓成型過程中的裂紋、皺紋和表面波紋的問題。橡膠墊成型原理如圖4所示，它由一個(gè)剛性模具和一個(gè)橡膠板組成，并且它們之間的接觸表面是柔性的，這極大地提高了微尺度流道的可成型性。

另外，橡膠墊和剛性模具不需要在成型過程中精確組裝，從而可以大大減少時(shí)間和成本。這種成型的主要缺點(diǎn)是橡膠墊的使用壽命短，需要經(jīng)常更換。 

2.金屬雙極板涂層

盡管金屬有很多優(yōu)點(diǎn)，但金屬雙極板更容易被腐蝕，這會(huì)對其性能和耐久性產(chǎn)生不利影響。

金屬雙極板產(chǎn)生腐蝕的原因是：

• 在陽極處，由于還原環(huán)境的存在，將起保護(hù)性作用的金屬氧化物層還原，形成氫化物并使金屬溶解在水中，金屬通過水蒸氣混入燃料流中，可能潛在地增加質(zhì)子交換膜污染的風(fēng)險(xiǎn)并且對催化劑層的活性造成不利影響；

• 在陰極處，氧化環(huán)境的存在會(huì)大大提高金屬雙極板的腐蝕速率，從而導(dǎo)致性能下降，甚至整個(gè)電池堆過早失效。

表 金屬雙極板的涂層材料

豐田汽車公司率先在旗下Mirai燃料電池汽車上使用金屬雙極板和涂層，解決了腐蝕、成本和導(dǎo)電等一些列問題。金屬雙極板的涂層材料如表3所示，從表中可以看出金屬雙極板的涂層材料主要包括2類： 

• 第1類是碳基涂層，如石墨涂層； 

• 第2類是金屬基涂層，如貴金屬涂層、金屬碳化物或氮化物涂層及金屬氧化物涂層等。

從涂層的工藝路線來看，目前主要有4類不同的工藝路線：電鍍、化學(xué)渡（例如：熱浸渡、涂料噴裝、噴 涂）、CVD（化學(xué)氣相沉積）、PVD（物理氣相沉積）。

目 前，國內(nèi)在金屬板涂層方面應(yīng)用更多是PVD工藝。采 用 PVD 工藝的涂層純度高、致密性好，涂層與基體結(jié)合牢固，涂層不受基體材料的影響，是比較理想的金屬雙極板表面改性技術(shù)。 

三、復(fù)合材料雙極板

復(fù)合材料雙極板能較好地結(jié)合石墨板與金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有密度低、抗腐蝕、易成型的特點(diǎn)，能夠使電堆裝配后達(dá)到更好的效果。但是，目前加工周期長、長期工作可靠性較差限制了其應(yīng)用。復(fù)合雙極板按照結(jié)構(gòu)可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合雙極板和材料復(fù)合雙極板。

1.結(jié)構(gòu)復(fù)合雙極板

結(jié)構(gòu)復(fù)合雙極板是以薄金屬或其它高強(qiáng)度、高致密性的導(dǎo)電板作為分隔板，以有孔薄碳板、金屬網(wǎng)等作為流場板，以導(dǎo)電膠黏合。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)雙極板結(jié)合了金屬板與石墨板的優(yōu)點(diǎn)，由于金屬板的引入，使石墨只起導(dǎo)電與形成流道的作用，而不需要致密與增強(qiáng)作用，同時(shí)由于石墨板的間隔，金屬板不需要直接接觸腐蝕介質(zhì)，減輕了金屬雙極板的腐蝕，這樣使得雙極板具有耐腐蝕、良導(dǎo)電、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是制作過程較為繁瑣，密封性相對較差。 

2.材料復(fù)合雙極板

材料復(fù)合雙極板主要是通過熱塑或熱固性樹脂料混合石墨粉/增強(qiáng)纖維形成預(yù)制料，并固化/石墨化后成型。復(fù)合材料型雙極板又可以分為碳基復(fù)合材料雙極板和金屬基復(fù)合材料雙極板。下表列出了金屬基和碳基材料復(fù)合雙極板的研究情況。

碳基復(fù)合材料雙極板可以根據(jù)導(dǎo)電填料及樹脂配比調(diào)整雙極板的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度，可以采用模壓或注射成型工藝進(jìn)行批量化生產(chǎn)，降低雙極板制造成本，未來具有較大應(yīng)用前景。金屬基復(fù)合材料雙極板通常采用金屬作為分隔板，邊框采用塑料、聚礬、碳酸酯減輕電池組的質(zhì)量，邊框與金屬板之間采用導(dǎo)電膠粘接，以注塑與焙燒法制備的有孔薄碳板或者石墨板作為流場板。

金屬基復(fù)合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其結(jié)構(gòu)及制備工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于碳基復(fù)合材料雙極板，在 PEMFC中推廣有一定困難，但是對于特殊場景用途具有一定優(yōu)勢。

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