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。燃料電池堆的每兩個(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），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"