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

在當前能源及環境危機的背景下，世界各國車企都在大力推進新能源車型的研發。燃料電池可以有效地將多種燃料直接轉化為電能，而無需燃燒，這是構建具有競爭力的、安全的、可持續的清潔能源的關鍵要素經濟。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；擴大使用可再生能源(通過使用從可再生資源中提取的氫作為運輸燃料以及儲存和輸送能源)；高效能源轉換；燃料靈活性(使用多種國產燃料，包括氫、天然氣、沼氣和甲醇)；減少空氣污染、標準污染物、用水量；高度可靠的網格支持。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域關鍵挑戰，如商業、住宅、工業和運輸領域等。

雙極板是PEMFC的關鍵組件之一，其質量占到整個燃料電池堆的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商品化的關鍵因素之一，這使得雙極板的研究成為行業內的研究重點。

1.1 雙極板的主要功能和要求

雙極板的功能主要包括：串聯各個單電池并將電流傳遞到集流板上，將燃料和空氣進行分離，為燃料和空氣提供流場來均勻分散反應氣體，利用合理的流道來排除反應產生的水以免發生水淹，將反應產生的熱量進行快速排出，為膜電極和電堆提供機械支撐。基于以上雙極板的功能，質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、機械性能和耐久性，并且要求質量輕、價格低，適于批量生產；

（2）為了實現電流的快速傳遞，減少電能損失，要有高的導電性；

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

（4）為了將電堆內部廢熱排出，保證電堆內部溫度均勻，需有高的導熱系數；

（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 美國能源部技術目標

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

表1 美國能源部技術目標[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，需要選擇價格低廉的材料，并且使用簡單的工藝來批量生產，只有這樣才能加快質子交換膜燃料電池商業化的速度。

目前，廣泛應用于質子交換膜燃料電池中的雙極板材料主要有石墨板、金屬板和復合雙極板。與石墨雙極板和復合材料相比，金屬雙極板因具有良好的導電性、導熱性、機械加工性、致密性，適合大批量低成本生產，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，并分析各自優缺點，指出了金屬雙極板的未來發展方向。

2 金屬雙極板材料

金屬被認為是制備雙極板的好材料，因為其有好的導電性、導熱性、機械加工性、致密性，并且成本較低加工周期短，有助于大批量生產。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；復合材料，如銅合金與碳纖維和鋁復合材料等。

事實上，目前主要研究的是不銹鋼雙極板，材質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酸性環境，金屬雙極板易發生腐蝕產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，而氧化物一般導電性較差，這導致了電池內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間內保持相對穩定，一般采取對其進行相應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、化學氣相沉積等方式。可用的涂覆材料有碳基材料和金屬材料，其中碳基材料主要包括：石墨、導電聚合物、鉆石，類金剛石碳(DLC)、有機自組裝單層膜。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。總體來說，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，這會引起膜或催化劑中毒。使用適當的預處理和涂層可以防止不銹鋼與膜直接接觸。許多研究人員已經采用不同的方法對金屬雙極板的不同涂層進行了研究，取得了良好的效果。此外，適當的流場設計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，將金屬板材放到下模具上，壓機上滑塊帶動上模運動，上下模閉合，使金屬板材發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，現已應用于大規模雙極板制造中。但是這種工藝存在一些難點，如沖壓出的極板尺寸精度很難保證，易發生回彈，并且在薄板沖壓成形時易產生翹曲。針對以上問題國內外學者進行了大量的研究，Kwon等[3]研究了沖壓速度、沖壓溫度和沖壓力對兩步沖壓工藝成形壓出的極板質量的影響。該研究表明金屬板材的成形性與沖壓力、沖壓溫度成正比，兩步沖壓工藝可以提高流道成形深度極限，同時，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，在極短時間內將沖頭的動能轉化為高達4 GPa的壓強，金屬板料在高壓強下以近似液態形式填充模腔，成形金屬雙極板。該瞬時沖壓方法比較好地解決了翹曲問題，但是成形設備過于昂貴[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）來代替傳統沖壓成形中的一個鋼模，成形過程中，鋼模在液壓機作用下向下運動，擠壓金屬薄板和橡膠墊，橡膠墊產生變形，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量更好，并且不會產生翹曲和破裂，同時，模具結構簡單，成本低。但受到橡膠墊的流動性影響，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或模具成形零件的一種塑性加工技術。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；然后，通過壓力機進行合模；最后，通過高壓設備在模腔內部建立高壓源使板材發生塑性變形，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量，同時也可以減少極板的回彈，這很適合制備復雜圖案的金屬雙極板。但是液壓成形設備很貴，且保養與維護費用較高，這制約了液壓成形工藝的實際應用。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，以減小擴散電流密度和提高產品的尺寸精度，已在SS316薄鋼板上刻蝕出了蛇形流場。但表面光潔度不高，對氣體流動效率有影響，需進一步后續處理。并且電化學刻蝕工藝過程復雜、生產成本高，不適合大批量生產。因此，其應用于金屬雙極板的商業化制備仍存在一些問題。

4 金屬雙極板的技術難點及解決措施

目前，阻礙燃料電池商業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構形式、材料種類及制備工藝角度闡述其制備過程的技術難點：

（1）由于金屬雙極板的流道窄而深，這導致沖壓成形時圓角處易開裂；

（2）在氣體分配區與直流道區過渡圓角處，由于薄板拉伸時易在該圓角過渡處出現應力集中，這會導致該區域壁厚減薄甚至開裂，為解決該問題可以通過設計非均勻圓角來解決；

（3）在雙極板的不同區域，如果氣體流動形式存在很大差異，這會導致雙極板的壽命衰減不同，進而導致電堆壽命下降；

（4）由于金屬雙極板厚度很薄，且部分區域存在不合理的無特征形狀區，這導致其具有較低的抗彎強度，因此，要減小無特征區域面積，并設計特定結構來提高雙極板的抗彎強度；

（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異的平面度。同時，由于其焊道窄而長，這對激光焊接工藝是很大的挑戰；

（6）由于金屬雙極板所處的工作環境是pH值為1-3之間的酸性環境，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不會出現脫落。

5 金屬雙極板成本評估

目前，商業的燃料電池汽車已經可以獲得了，但是其價格相對還是比較昂貴，為了使氫和燃料電池技術的廣泛商業化，降低燃料電池成本是至關重要的。SA（Strategic Analysis,Inc.）公司[8]針對80 kW汽車用燃料電池系統以每年500,000套的產量進行成本分析，評估認為燃料電池系統的成本為53美元（約367元人民幣）/kWnet。SA公司評價的燃料電池系統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，對板材進行連續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行連接；最后，利用物理氣相沉積（PVD）進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公司的調查結果顯示：以每年500,000套的產量為基礎，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成本的15%，占燃料電池電堆成本的30%；以每年10,000套的產量為基礎，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3美元（約20.88元人民幣）/kWnet高16.67%。從分析結果可以看出，雙極板的成本仍有很大的降低空間，尤其對于高產量的情況，燃料電池系統對雙極板的成本很敏感，因此，需要進一步的優化金屬雙極板的材料和制備工藝，來進一步將低雙極板的成本以降低燃料電池系統的成本，最終達到推動燃料電池汽車快速商業化并具有競爭力的目的。

6 結束語

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、成本評估及技術難點與解決措施幾個方面進行了闡述。得到如下結論：

（1）金屬雙極板具有高的導電、導熱性能、致密性好、機械加工性能好、成本低和適合批量生產等優點，但其耐腐蝕性能較差，需進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）以及一些復合材料（銅合金與碳纖維和鋁復合材料等）；

（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（如化學刻蝕），不同的成形工藝具有不同的優缺點，最適合大規模批量生產的工藝即為沖壓成形工藝；

（4）金屬雙極板制備的難點主要有流道尺寸窄而深、流場結構設計、沖壓成形過程的局部應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以每年500,000套的產量分析，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3美元（約20.88元人民幣）/kWnet高16.67%。