為什么雙極板對(duì)氫燃料電池如此重要？

該如何測(cè)量氫燃料電池的雙極板？德國WERTH復(fù)合式三坐標(biāo)，結(jié)合色譜及探針等傳感器，可以進(jìn)行測(cè)量。

雙極燃料電池堆的結(jié)構(gòu)（圖片來源：《氫在汽車技術(shù)中的應(yīng)用》第 167 頁圖 6.16）

雙極板是燃料電池的關(guān)鍵部件，堆疊后構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)的核心。在斯普林格出版的《聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEFC）--現(xiàn)狀與展望》一書中，作者約里森（J?rissen）和 蓋爾瑟（Garche）表示，“雙極板作為一個(gè)集成組件完成以下任務(wù)：電池的電氣連接、雙極板表面的氣體分布、相鄰電池之間的氣體分離、對(duì)外密封和冷卻”。

燃料電池通常由大量的膜電極單元組成，這些單元排列成一個(gè)疊層，其電力輸出相加。燃料電池堆的每?jī)蓚€(gè)膜電極單元之間都有一個(gè)雙極板。

三重功能：供氣、冷卻、電氣連接

在多電池或疊層結(jié)構(gòu)中，雙極板的主要任務(wù)是以物理和導(dǎo)電方式連接一個(gè)電池的陽極和相鄰電池的陰極。此外，雙極板還負(fù)責(zé)將反應(yīng)氣體導(dǎo)入反應(yīng)區(qū)。為此，在板的兩側(cè)銑制或壓制出流動(dòng)輪廓（流場(chǎng)），氫氣從一側(cè)流過，空氣則從另一側(cè)進(jìn)入。雙極板由單個(gè)燃料電池的兩極（因此稱為雙極）組成：載氫陽極板（負(fù)（-）極）和供應(yīng)反應(yīng)空氣的陰極板（正（+）極）。這兩塊板還分別調(diào)節(jié)水蒸氣的排出以及熱能和電能的釋放。

據(jù)作者哈特穆特-弗雷（Hartmut Frey）介紹，雙極板必須具備以下特性，他在燃料電池一章中對(duì)此進(jìn)行了如下描述：

- 在潮濕、氧化和還原條件下的化學(xué)穩(wěn)定性

- 氣密性

- 高導(dǎo)電性

- 低接觸電阻

- 良好的平面平行度（<20 微米）

- 低成本（制造和材料）

雙極板材料：金屬、石墨、復(fù)合材料

要滿足上述要求，基本上有三種不同的方法。雙極板可以由石墨、（涂層）金屬、石墨-聚合物化合物或陶瓷制成，正如《汽車氫能技術(shù)》一書中燃料電池一章的作者曼弗雷德-克萊爾（Manfred Klell）所解釋的那樣。與石墨板相比，金屬雙極板具有重量輕、體積小、冷啟動(dòng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，使用金屬雙極板進(jìn)行大批量批量生產(chǎn)，還可大幅降低成本。當(dāng)需要達(dá)到大于 40,000 小時(shí)的最長使用壽命時(shí)，石墨板則更具優(yōu)勢(shì)。

目標(biāo)：適合批量生產(chǎn)的高性價(jià)比產(chǎn)品

需要對(duì)雙極板進(jìn)行研究，特別是研究如何以具有成本效益的方式批量生產(chǎn)雙極板。這是因?yàn)殡p極板占燃料電池重量的很大一部分，并占電池生產(chǎn)成本的 45%。大量生產(chǎn)雙極板可以節(jié)省大量成本。

德國弗勞恩霍夫IPT研究所希望利用熱成型技術(shù)降低制造成本，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池的大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還在研究不同流場(chǎng)幾何形狀如何影響燃料電池的阻抗和性能。與此同時(shí)，美國汽車供應(yīng)商德納（Dana）公司開發(fā)出一種低成本、大批量的金屬雙極板，可降低燃料電池堆的成本。miniBIP II項(xiàng)目正在研究用石墨涂層代替金涂層如何降低雙極板的成本，德國弗勞恩霍夫 IFAM研究所 解釋了如何對(duì)生產(chǎn)雙極板的粘合劑和密封劑進(jìn)行鑒定。德國燃料電池合作公司（GFC）開發(fā)了一條集成的、可擴(kuò)展的生產(chǎn)線，用于高效生產(chǎn)雙極板，而聯(lián)合項(xiàng)目 KontiBip 則旨在實(shí)現(xiàn)雙極板的高速生產(chǎn)。

清潔問題

正如《連接技術(shù)》2021年第9期種文章 "如何更好地清潔雙極板"所解釋的那樣，雙極板能否很好地完成介質(zhì)供應(yīng)、電氣連接和冷卻等任務(wù)，還取決于材料和連接板的清潔度。例如，清潔可以防止雜質(zhì)滯留在陽極和陰極之間，最終導(dǎo)致效率降低。為了實(shí)現(xiàn)高效的工作流程，應(yīng)在接合和/或鍍膜之前將清潔工作納入生產(chǎn)線。

因此，雙極板設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是減少重量和安裝空間，并提高功率密度。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于燃料電池在汽車中的移動(dòng)應(yīng)用尤為重要。例如，舍弗勒公司最近就在功率密度方面取得了進(jìn)展。一種新型金屬雙極板可將燃料電池堆的功率密度提高約20%。這家德國供應(yīng)商在《PEM燃料電池應(yīng)用--從組件到系統(tǒng)》一文中解釋道：“雙極板占電池組重量的80%，占電池組體積的65%，因此對(duì)功率密度極為重要"