直接甲醇燃料电池双极板的研究进展

摘要：作为直接甲醇燃料电池的关键部件之一，双极板主要起分配燃料和收集电流的作用，其直接影响燃料电池的性能和成本。介绍了目前国内外双极板的研究现状及进展。
关键词：直接甲醇燃料电池：双极板；材料；流场

l 引言
近几十年来．社会经济发展与能源短缺、环境污染之间的矛盾日益突出。直接甲醇燃料电池能量转换效率高、污染小，在未来的能源供给中有着很好的应用前景。目前，一些技术问题阻碍其商业化进程。作为关键部件，双极板的研究显得至关重要。

2 直接甲醇燃料电池的基本原理
直接甲醇燃料电池的工作原理如图1所示．甲醇水溶液经阳极反应，产生的质子通过全氟磺酸膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极，二氧化碳在酸性电解质帮助下从阳极出口排出。在氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的阴极区，所发生的反应都是氧气或空气经阴极流场板均匀分配后，通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴极电化学活性反应区域)，在电催化剂的作用下，与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水，并随反应尾气从阴极出口排出。

其电极反应如下：
阳极反应：CH30H+H20→C02+6H＋+6e-
阴极反应：3/202+6H++6e-→3H20
整体反应：CH30H+3/202→C02+2H20

3 DMFC双极板的功能要求
双极板一般占据电堆重量的70％-80％，占据生产成本约60％，其应具备的主要功能有：完全隔离并均匀分配电池中的燃料和氧化剂；良好的导电性，能收集并传导电流；良好的热导性，能有效的冷却电池组；传输生成水、湿气；实现电池组中的单电池的连接。目前双极板材料、流场结构，尤其是加工成本都存在许多急需解决的技术问题。

4 双极板材料及制备工艺
双极板材料应具有良好的导电性和化学稳定性，以及高机械强度和低渗透性。目前广泛使用的双极板材料有石墨材料、金属材料和复合材料等。
4．1 石墨材料
石墨材料具有优良的电导性和热导性、较好的耐腐蚀性和热膨胀系数低等优点。传统的石墨双极板的制备一般采用石墨粉、粉碎的焦碳和可石墨化的树脂或沥青混合，经过严格的升温程序得到无孔石墨板，再通过机械加工或者电脑刻绘沟槽以得到流场。但石墨材料的脆性造成了相当大的加工难度，限制了整个双极板厚度的降低，一般厚度不小于3 mm，并且制备工艺复杂、耗时、费用高，在制造过程中容易产生气泡，使燃料和氧化剂相互渗透，从而降低了燃料电池性能，难以实现批量生产。
美国橡树岭(oak ridge)国家实验室采用低成本泥浆模塑法制备片状石墨纤维预塑件，然后用化学气相渗透碳密封，得到气密性优良的双极板，并且有较高的电导率(200～300 s／cm)，同时密度小，质量轻，双轴弯曲强度为(175±26)MPa，电池检测表明电池阻力小，效率高。
4．2 金属材料
金属材料导电性能优异、导热性能好、机械强度高、气密性好且易于加工。铝、钛、镍、不锈钢等都是制造双极板的金属材料。
增强抗腐蚀能力和减小接触电阻是金属材料需要解决的两大难题。由于燃料电池工作环境呈弱酸性，金属很容易被腐蚀或溶解，尤其是金属板被溶解后产生的金属离子就会扩散到质子交换膜，增加了双极板的电阻，甚至使得膜电极“中毒”．从而导致电池失效。若直接采用耐腐蚀的金属或合金(如钛、不锈钢等)，虽然抗腐蚀性增强，但其表面生成的钝化层为电绝缘体，这使得极板的接触电阻增大。
对金属进行表面改性处理，比较有效的解决方案是在金属双极板的表面覆盖一层防护层。该防护层必须抗氧化、耐腐蚀、导电性能较好。防护层分为两类：一类是金属，如贵金属、金属碳化物、金属氧化物；另一类是以碳为主体的材料，如石墨、导电性聚合物。目前，金属板的表面改性主要有以下几种方法：
电镀或化学镀贵金属(如铂、银)或其氧化物具有良好的导电性能的金属(如银、铅、锡等)；
磁控溅射贵金属(如铂、银)和导电化合物(如TiN等)；
采用丝网印刷和焙烧，即类似用于氯碱工业RuOx／Ti阳极制备方法．制备导电复合氧化物涂层。
大连海事大学材料工艺研究所和长春工业大学基础科学学院用厚度为2mm的AISI 304不锈钢作为基体，通过以下工艺流程：304不锈钢基体→电镀硬铬(厚度约10 mm)→离子氮化(氮化温度为580°C，氮化时间为7h)所制备的双极板经测定耐腐蚀性能提高，接触电阻明显低于基体，电性能得到提高。
如图2所示．吴博等人采用电弧离子镀的方法，在燃料电池表面用304．不锈钢双极板试样沉积一种预先设计的高质量的Cr／CrN／Cr复合薄膜．经过对薄膜的接触电阻、电化学腐蚀性能进行测试。发现其抗腐蚀性能大幅度提高。同时接触电阻也大幅度降低。

4．3 复合材料
目前采用的复合材料主要包括碳，碳复合材料、碳基复合材料和金属基复合材料。
4．3．1 碳，碳复合材料
碳／碳复合材料具有高电导率、高热导率、质量轻、耐高温、高强度、高度耐腐蚀和化学稳定性高、可在冲压过程中形成流场等优点，是较理想的双极板材料。
采用碳/碳复合材料制作双极板的传统方法；首先将聚合物树脂和填料混合，形成预制料并固化成型，然后进行炭化、石墨化、气相沉积等过程。炭化或石墨化处理可有效提高材料的导电性，并消除其内应力。但其制作过程需要高温条件，需要长期且昂贵的化学气相预浸处理，因而成本较高。
黄明宇等人研究采用中间相碳微球(mesocarbon mi-crobeads，MCMB)／石墨复合材料。通过常温模压成型和炭化烧结工艺制备双极板．制造成本低、效率高，抗压强度大于152 MPa，抗弯强度大于40MPa，电阻率小于30μΩm，满足了燃料电池在工作条件和性能上的要求。文献指出采用一种新型的碳／碳复合材料(以MCMB为基．以导电碳黑和碳纤维CF等为增强相)和凝胶注模新工艺制作的双极板．可以不需机加工而一次成型双极板气体流道。研究表明，该种双极板性能稳定，而且制作成本仅为进口产品的40％左右。